升力型潛水飛行器水空動力學(xué)特性研究

吝 科，馮金富，張曉強，高 峰

(1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，陜西 西安710051;2.空軍西安局駐012 基地軍代表室，陜西 漢中723000)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類探尋生存空間的愿望不斷增長，研究跨越海洋和天空的航行器具有重要意義。2008年，美國國防部先進技術(shù)研究局著手研發(fā)一種即能夠在空中飛行，又能夠在水面和水下航行的飛行器— “潛水飛機”，用于突襲敵方海岸的特種作戰(zhàn)行動［1］，同時法國也在研制“埃利烏斯”潛水無人機?？梢妵庥绕涫敲儡妼邆涠嘟橘|(zhì)航行能力的全棲航行器的研究熱度與日俱增。

諸如此類全棲航行器所構(gòu)想的水空交替航行能力，因需跨越水空兩相介質(zhì)物理性質(zhì)的巨大差異而帶來重大技術(shù)難題和設(shè)計沖突，如在外形選擇上，大部分潛航器為流線型回轉(zhuǎn)外形，包括魚雷型、水滴型、低阻力層流體型，除水下滑翔機外，少有類似升力型航行器機翼的裝置［2-3］，然而簡單的流線型回轉(zhuǎn)外形難以滿足航行器的空中飛行要求。本文出于空中優(yōu)化和水下可行考慮選擇升力型航行器為研究對象，分析其在水空兩相介質(zhì)中航行時的動力學(xué)特性關(guān)系。

1 模型設(shè)計

根據(jù)“潛水飛機”的航行任務(wù)剖面，借鑒水上飛機的設(shè)計理念，模型設(shè)計特點可以概括為底部設(shè)有斷階的船型機身，機翼剖面選用NACA M11 翼型的單面凸翼和采用高量平尾布局。概念草圖如圖1所示。

圖1 航行器外形設(shè)計效果圖Fig.1 The outside view of the aircraft design

在不影響仿真結(jié)果的前提下進行結(jié)構(gòu)簡化，采用尺寸函數(shù)與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法完成網(wǎng)格的劃分，保證網(wǎng)格疏密合理分布，兼顧流場細(xì)節(jié)和計算代價?？刂茀^(qū)域為一長10S、寬5S、高6S 的長方體(S 為航行器長度)，是其邊界對航行器周邊流場的影響可以被忽略的最小區(qū)域。航行器網(wǎng)格模型和全局網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格示意圖Fig.2 Meshing modal

計算網(wǎng)格的總數(shù)為400 萬，網(wǎng)格質(zhì)量在0.15 ～0.2 區(qū)間為3 個，總體網(wǎng)格質(zhì)量在0.2 以上，符合計算要求。

2 模擬方法

2.1 主控方程

采用N-S 方程數(shù)值模擬法可以精確地分析流場的動特性，適用于寬廣的速度范圍、中等及較大的迎角范圍，是目前數(shù)值模擬復(fù)雜粘性流場的主要方法?？刂品匠虨槔字Z平均的連續(xù)和N-S 方程［4］，張量形式為:

式中:ρ 為流體密度;ui為i 方向速度分量;P 為壓力;μ 為動力粘性系數(shù);u，i 為相應(yīng)速度分量的脈動值，為Reynolds 應(yīng)力項;Si為廣義源項，模擬三維流場時i，j=(1，2，3)。

2.2 湍流方程

本文模型以0.5 m/s 在水下潛航時，其雷諾數(shù)為4.4×106，已超過臨界雷諾數(shù)，故仿真中采用航空和航海領(lǐng)域都廣泛使用的k-ε 湍流模型。它是典型的兩方程渦粘模型，由2 個輸運方程確定，模型中湍流粘度μt為湍動能k和湍動耗散率ε 的函數(shù)。

式中:Gk為平均速度梯度引起的湍動能k 的產(chǎn)生項;Gb為浮力引起的湍動能k 的產(chǎn)生項;YM為可壓湍流中脈動擴張的貢獻(xiàn);C1ε，C2ε和Cμ為經(jīng)驗常數(shù)，仿真中依次取121.44、1.92和0.09;σk和σε分別為與湍動能k和耗散率ε 對應(yīng)的Prandtl 數(shù)，分別取1.0和1.3;Sk和Sε為用戶定義的源項。

2.3 邊界條件

計算區(qū)域采用有限體積(FVM)對控制方程進行離散，采用SIMPLEC 方法計算壓力速度關(guān)聯(lián)方程，時間項采用中心差分格式，對流擴散項采用二階迎風(fēng)格式，壁面附近采用自動壁面函數(shù)。

3 仿真測試與分析

3.1 水空全機表面壓力系數(shù)分布

雷諾數(shù)Re 反映了流體微團所受的慣性力與粘性力之比，是流動狀態(tài)的判斷標(biāo)準(zhǔn)，對流體動力特性影響很大。故在雷諾數(shù)相等條件下對航行器的空中和水下流場分別進行數(shù)值模擬，對比研究航行器的動力學(xué)特性，據(jù)此設(shè)定模型在空中巡航速度為V1=20 m/s，對應(yīng)的水下速度為V2=1.37 m/s，此時雷諾數(shù)為1.2×107。

圖3和圖4 分別為航行器以側(cè)滑角β=0°，攻角α=2° 在空中和水下航行時的全機壓力分布云圖。如圖所示，航行器在空中飛行和水下潛航時機翼上下表面的壓力分布及變化趨勢相似，其壓力載荷峰值均出現(xiàn)在機頭位置和機翼前緣。

圖3 航行器在空中時上、下翼面壓力分布Fig.3 The pressure distribution on the both side of the wing on air

圖4 航行器在水下時上、下翼面壓力分布Fig.4 The pressure distribution on the both side of the wing in water

進一步分析機翼50%截面和70%截面壓力系數(shù)CP的分布圖。

式中:p 為模型表面靜壓;p0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓強;ρ 為海水密度;V 為導(dǎo)彈運動速度。

從圖5和圖6 可見，在機翼的不同截面處，壓力系數(shù)變化趨勢也相似，下表面的壓力系數(shù)幾乎相同，上表面稍有區(qū)別，在機翼前半部分空氣壓力系數(shù)大，后半部分水下壓力系數(shù)大，但在數(shù)值上比較相近。

圖5 50%截面處壓力分布Fig.5 The pressure distribution on section of 50% wing

圖6 70%截面處壓力分布Fig.6 The pressure distribution on section of 70% wing

3.2 水空動力學(xué)系數(shù)分析

對航行器縱向流體動力特性進行模擬，主要包括升力系數(shù)Cl，阻力系數(shù)Cd，升阻比K和縱向力矩系數(shù)Cm，其定義為:

式中:L 為升力;D 為阻力;Mz為俯仰力矩;Sref為機翼參考面積;c 為機翼的平均氣動弦長。在飛行速度20 m/s和潛航速度1.37 m/s 的流場分析基礎(chǔ)上，根據(jù)主流水下有翼航行器的速度為6 kn 左右［5］，增加水下速度V3=3 m/s 的潛航狀況進行對比研究流體動力學(xué)特性。

圖7 升力系數(shù)對比圖Fig.7 Comparison of lift coefficient

如圖7 可見，3 種航行狀況下各動力學(xué)系數(shù)隨攻角的變化趨勢基本一致。航行器以速度1.37 m/s潛航和以速度20 m/s 飛行時，在相同攻角條件下，水下的升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)都稍大一些;阻力系數(shù)曲線極小值出現(xiàn)時的攻角更小一些;升阻比的數(shù)值也較大一些，極大值受阻力系數(shù)變化的影響也在攻角較小時出現(xiàn)。當(dāng)水下潛航速度提高為3 m/s時，如圖所示，各動力學(xué)參數(shù)不但隨攻角的變化趨勢相似，而且在數(shù)值上也非常相近。

圖8 阻力系數(shù)對比圖Fig.8 Comparison of drag coefficient

圖9 升阻比對比圖Fig.9 Comparison of lift to drag ratio

圖10 俯仰力矩系數(shù)對比圖Fig.10 Comparison of pitching moment coefficient

據(jù)此進行推斷，航行器在水空兩相介質(zhì)中航行時，存在對應(yīng)的飛行速度和潛航速度使得動力學(xué)參數(shù)隨攻角變化趨勢相似且數(shù)值相近，這意味航行器在不同介質(zhì)環(huán)境條件下對輸入的動態(tài)響應(yīng)特性相似，在該條件下航行器對不同介質(zhì)的適應(yīng)和操控都會達(dá)到提升。同時也證明了升力型航行器在水下低速潛航的可行性。

3.3 水空動力學(xué)系數(shù)分析

通過對水空低速航行動力學(xué)特性的分析，得出在低速航行時，存在匹配的航行速度使航行器在空中和水下獲得相似的航行環(huán)境。本節(jié)對高速條件下升力型航行器潛航的可行性進行研究。攻角、側(cè)滑角均為0°，模擬航行器以速度從0.5 ～25 m/s(主流魚雷速度)在水下航行時，阻力和升力隨速度變化規(guī)律。

圖11 阻力隨速度變化曲線Fig.11 The rules of drag varies with speed

圖12 升力隨速度變化曲線Fig.12 The rules of lift varies with speed

從圖可見，隨著速度的增長，航行器所受阻力、升力大小呈拋物線增長，當(dāng)速度為25 m/s 時，阻力和升力分別達(dá)到了3 536.52 N、15 369.1 N，這對航行器的動力和操縱性能要求非常高。巨大的阻力和升力表明升力型航行器在水下是不容易高速潛航的，雖盡可能的減小阻力是空中航行體和水下航行體共同研究的課題，但升力情況就不盡相同了，因為水下浮力的存在，升力的產(chǎn)生使得航行器很容易浮出水面。因此升力型航行器不宜在水下高速航行，如需高速潛航則需改變航行器的外形，以不同的構(gòu)型在不同的介質(zhì)環(huán)境中航行［6］，減小航行阻力，降低介質(zhì)轉(zhuǎn)換對航行器操縱性能的要求。

4 結(jié) 語

本文通過數(shù)值模擬航行器在空中和水下航行的動力學(xué)特性，得出以下結(jié)論:

1)在低速航行時，存在匹配的速度區(qū)間使得升力型航行器在空中和水下的動力學(xué)參數(shù)隨攻角變化趨勢相似并且數(shù)值相近，航行器獲得相似的飛行和潛航環(huán)境;

2)通過對水下高速航行的可行性的探討，說明升力型航行器不適宜在水下高速潛航，針對面臨問題，提出采用變體方式進行改進。

［1］美國推出水下飛機新項目［N］.解放軍報，2010，9.

［2］程雪梅.水下滑翔機研究進展及關(guān)鍵技術(shù)［J］.魚雷技術(shù)，2009，17(6):1-6.

［3］MA Zheng，ZHANG Hua，ZHANG Nan，et al.Study on energy and hydrodynamic performance of the underwater glider［J］.Journal of Mechanics，2006，6(10):53-61.

［4］王福軍.計算流體力學(xué)分析—CFD 軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［5］KINSEY J C，Drag characterization in the autonomous benthie explorer，IEEE Oceanic Engineering Society［J］.OCEANS’98.Conference Proceedings 1998(3):1696-1700.

［6］馬東力，葉川，李毅波.變體跨介質(zhì)航行器［C］.2010年863 創(chuàng)新研討會論文集，2010:31-38.