水下滑翔機機翼不同位置攻角狀態下水動力性能研究

徐 俊，徐喜平，孟慶杰

(1.武漢第二船舶設計研究所，湖北武漢430064；2.上海中建東孚投資發展有限公司，上海200125)

0 引 言

隨著海洋技術迅速發展以及水下作業需求的增加，人類水下作業裝備多種多樣，包括無人無纜的，載人潛器等。其中水下滑翔機屬于無人無纜深潛器，該概念最早在1989年由Stommel[1]提出，其在水中作業處于滑翔狀態，通過調節重心位置，重力、浮力來調節姿態，從而完成滑翔運動，滑翔覆蓋廣泛的海域面積，在滑翔的同時可以完成對區域水文信息采集、海底地貌探測、礦物勘探、軍事偵察等工作，同時水下滑翔機滑翔所消耗的能量極少，續航力在上千千米，且水下滑翔機制造成本低，可重復使用，因此可以大量投放，對大面積海域進行作業。因此水下滑翔機在海洋探索、軍事等領域具有廣泛的應用場景。Rudnick[2]給出了典型的水下滑翔機型號及其應用場景。

針對水下滑翔機水動力性能，國內外學者進行了廣泛研究。Henry Stommel[1]率先提出了水下滑翔機的概念，其通過調整壓載水艙水位，實現重量，重心位置的調節，利用重力、浮力實現不斷的滑翔運動，完成水下作業。在此構想的基礎上美國設計生產了最初的水下滑翔機。中國對水下滑翔機概念的研究較晚，最早是中國科學院沈陽自動化所研究開始水下滑翔機的設計研究工作[3]。關于水下滑翔機的水動力性能，國內外學者都做了多個方面的研究，包括滑翔機體的外形（主要有水滴形，低阻層流形）[4]，水翼剖面類型（多為NACA翼型），水翼位置布置等。Chen[5]使用CFD方法對3種外形的水下滑翔機在滑翔狀態的阻力特性進行了數值模擬，并給出了不同滑翔角度狀態下的滑翔能量轉換效率，為水下滑翔機工作狀態的選擇提供了理論支持；Liu[6]用模型試驗和數值模擬2種方法對水下滑翔機水動力性能進行了研究，其同樣對滑翔機不同攻角和不同滑行角度狀態的阻力，縱傾、橫傾、轉首、力矩的變化進行了分析，同時數值計算結果也與風洞試驗結果進行了對比驗證；Li[7]對裝配仿生形水翼的水下滑翔機水動力性能進行了分析，其使用CFD方法模擬了4種異型的推進效率，討論了不同機翼形式對水下滑翔機巡航效率的影響；Fan[8]使用參數化表達水下滑翔機幾何外形，并通過理論分析了滑翔機外形和其水動力性能、穩定性的關系，并給出了機翼外形位置和對應的最大升力阻力比；Jagadeesh[9]同樣使用模型試驗和數值計算2種方法對某型水下滑翔的水動力性能進行了研究，對不同航速不同滑翔姿態角度做了一系列的研究，用以指導水下滑翔機的工作導航和控制系統。

本文針對某型水下滑翔機，研究其機翼不同位置，不同攻角情況下的升力、阻力變化情況，本文使用OpenFOAM開源CFD庫對不同的機翼布置狀態下的水動力性能進行數值模擬，給出升力、阻力特性的同時還能給出詳細的速度、壓力、渦量場信息，這樣有助于深入理解水下滑翔機水動力性能，更好設計、優化水下滑翔機的幾何外形，機翼位置、攻角，附體設置等參數。

1 數值方法

數值計算基于開源CFD庫OpenFOAM，Open-FOAM在船舶海洋水動力學領域有著廣泛的應用，其計算結果可靠。OpenFOAM基于有限體積法（FVM）開發，本文計算水下滑翔機水動力學特性，故求解單相非定常不可壓縮粘性流體，求解器使用pimple-Foam，求解不可壓縮RANS方程為：

速度壓力解耦采用PIMPLE算法。該算法是SIMPLE算法和PISO算法的組合，即每個PISO迭代之外又進行了若干次SIMPLE迭代，兼具了2種算法的優點，且通過參數設置可以退化為SIMPLE算法或者PISO算法。PISO算法可以更好捕捉瞬態問題的瞬時特性，SIMPLE算法收斂更快。本文計算工況為定常來流工況，類似穩態問題，但是考慮到湍流特性，還是使用PIMPLE算法。本文計算時間項離散使用2階退步格式，對流項離散使用2階迎風格式，擴散項離散使用中心差分格式。計算中使用變時間步長保證Courant數小于1。

2 算例設置

本文計算水下滑翔機主尺度艇長L為5.75m，機翼弦長15cm，計算航速為6kn，模型參考如圖1所示。機翼3種布置位置見圖1，其中每個位置考慮4種機翼的初始安裝攻角0°，3°，6°，9°。計算機翼在不同位置，不同角度狀態下，水下滑翔機的水動力性能。

圖1 水下滑翔機模型及機翼位置圖Fig.1 Schematic of the underwater glider model and wing location

算例計算域大小如圖2所示。其中入口邊界距離滑翔機部1L，出口邊界距離滑翔機尾部2L，滑翔機距離上下左右遠場邊界0.5L。其中入口邊界條件為定常來流，出口邊界為壓力定值，速度零梯度，遠場邊界速度壓力均取零梯度邊界條件。艇體和機翼物面為不可滑移物面邊界條件。

圖2 計算域與邊界示意圖Fig.2 Schematic of the computational domain and boundary

計算網格是使用blockMesh和snappyHexMesh工具生成的任意多面體網格，該類型網格適用于Open-FOAM使用的有限體積數值方法，首先使用blockMesh工具生成正六面體背景網格，覆蓋整個計算域。隨后使用snappyHexMesh工具從背景網格中挖去滑翔機艇體所在區域網格，并進行滑翔機艇體周圍流場區域的局部加密，并在艇體邊界生成邊界層網格。本文使用計算網格數量185萬，邊界層網格尺寸保證計算工況y+值在30～60之間。計算網格示意圖，首部網格加密，邊界層如圖3所示。

圖3 計算網格Fig.3 Computational mesh

3 計算結果

首先從水動力的角度分析，表1列出了機翼在3種不同位置、不同攻角工況下，滑翔機整體受到的阻力和升力變化情況。可以看出，無論機翼的位置如何，隨著機翼攻角的增大，滑翔機所受到的升力、阻力均增大，這也符合對機翼的認識。

表1 滑翔機不同工況所受阻力升力Tab.1 Resistance and lift of glider under different working conditions

圖4為機翼不同位置滑翔機阻力和升力隨攻角變化而變化的曲線。可以看出，隨著攻角增大，阻力非線性增長，增速快，升力基本線性變化。

圖4 滑翔機機翼不同位置攻角狀態下阻力、升力變化Fig.4 Resistance and lift performance at the different underwater glider wing positions

對比機翼所處不同位置時滑翔機受到阻力、升力的變化，可以發現隨著機翼位置從首部向尾部移動，滑翔機受到的阻力和升力均增大，但是增加的幅值不顯著，可以將滑翔機機體和機翼2個系統分開考慮。由于機翼位置變化，其所處滑翔機繞流場的位置不同，受到的水動力也會相應變化，即在不同的背景流場中，機翼的阻力、升力特性會發生變化。這也可以看作是滑翔機艇體對機翼的影響。另一方面，由于機翼位置發生變化，也會使流場發生變化進而影響滑翔機艇體受到的水動力，這可以看作是機翼對滑翔機艇體的影響。本文研究的滑翔機及其機翼，機翼相對常規水下滑翔機其弦長較小，因此對流場擾動及對滑翔機艇體的影響可以忽略不計。這也是機翼不同布置位置，水下滑翔機整體受到阻力、升力變化不大的原因。而機翼位置改變，由于處在滑翔機艇體繞流場的不同位置，因此其阻力、升力會發生一定變化。這也是隨著機翼從滑翔機艏部移動向滑翔機尾部阻力、升力略有增大的原因。

由于本文所計算所有工況流場相似，所以只給出了機翼9°攻角，尾部布置情況時的滑翔機表面壓力和邊界層流場信息，如圖5所示。可以看出，滑翔機艇體部為鈍體，因此在部形成駐點，壓力峰值。圖中，橫切面為流場中縱向速度小于99%來流速度的部分，即邊界層部分。可以看出流場一直到滑翔機尾部均未發生邊界層分離，在滑翔機尾部形成較大區域的死水區，在后續推進器及控制模塊的設計中也要考慮到死水區存在對其效率產生的影響，適當的尾部型線優化可以改進這一問題。

圖5 速度-壓力分布圖Fig.5 The1map of the velocity-pressure distribution

4 結 語

通過對某型水下滑翔機機翼在不同位置、不同攻角狀態下的水動力性能計算，發現由于該型水下滑翔機機翼弦長相對較小，因此其位置改變對整個水下滑翔機系統水動力性能影響不大。隨著其位置從首部到尾部移動，滑翔機阻力、升力略有增加，增幅不大。因此在后期設計過程中，機翼位置的選取主要考慮設備布置、安全等因素，可以忽略其對滑翔機水動力性能的影響。另外通過對滑翔機流場信息的分析，發現在滑翔機尾部會存在較大范圍的死水區，在后續附體設置的過程中要考慮此因素，或者通過型線優化手段，避免該死水區的出現。