水下自主航行器舵翼水動(dòng)力性能分析

呂欣倍，張鐵棟，王 聰，龐永杰

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

水下自主航行器舵翼水動(dòng)力性能分析

呂欣倍，張鐵棟*，王 聰，龐永杰

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，哈爾濱 150001)

針對(duì)300 kg級(jí)水下自主航行器尾舵設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，采用三維計(jì)算流體力學(xué)方法，計(jì)算了梯形舵在不同航速下的流體力學(xué)性能，得到不同舵角條件下水下航行器舵翼的水動(dòng)力性能與流場分布，分析了不同舵角水動(dòng)力性能變化原因和聲吶對(duì)垂直上舵產(chǎn)生的影響，同時(shí)對(duì)舵翼進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì).結(jié)果表明，當(dāng)水下航行器正常航行時(shí)，舵翼攻角大于20°后，舵翼水動(dòng)力性能明顯下降.優(yōu)化發(fā)現(xiàn)后掠7.71°的舵翼在理論上具有更好的水動(dòng)力性能，為水下航行器的后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考.

水下自主航行器;舵翼;水動(dòng)力學(xué);流場分布;數(shù)值模擬

隨著海洋資源開發(fā)，水下自主航行器受到越來越廣泛的關(guān)注［1］.水下自主航行器利用舵翼產(chǎn)生的升力可改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，有效規(guī)避航行過程中的障礙物，因此分析水下自主航行器舵翼的水動(dòng)力性能，對(duì)水下自主航行器控制方法的實(shí)現(xiàn)與完善具有一定的實(shí)用意義.目前國內(nèi)外已經(jīng)開展了相關(guān)的研究工作，Phillips等［2］運(yùn)用Fluent軟件對(duì)AUV(autonomous underwater vehicles)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了AUV的水動(dòng)力性能;高婷［3］運(yùn)用iSIGHT軟件，在NACA舵型基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使新翼型升阻比提高到了3.11;王妹婷等［4］通過Fluent軟件對(duì)水下自主航行器舵翼的三維實(shí)體模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到不同攻角與雷諾數(shù)下舵翼的水動(dòng)力性能;沈海龍等［5］使用CFD(computational fluid dynamics)前處理軟件ICEM CFD劃分流場網(wǎng)格，研究了船體、螺旋槳、完整船槳組合這3種模型的水動(dòng)力性能.本文在相應(yīng)的CFD理論下，使用Flunet軟件，采用二階迎風(fēng)格式，結(jié)合水下自主航行器艇體，對(duì)三維舵翼在不同攻角條件下的水動(dòng)力性能進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算與分析，為相關(guān)的設(shè)計(jì)提供參照.

1 水下自主航行器與舵翼計(jì)算模型

1.1 幾何參數(shù)

水下自主航行器艇體采用Nystrom流線型回轉(zhuǎn)體形式，分3個(gè)艙段:艏部艙段、艉部艙段和中間艙段.艏部艙段是一個(gè)半橢圓進(jìn)流段，艉部艙段去流段借鑒了Hugin系列潛水器的尾部型線，中間艙段為圓柱形，艙體底部為平底結(jié)構(gòu)，艇體總長4.5 m，直徑0.53 m，其中首段長0.8 m，尾段長0.9 m，中間艙段長2.8 m(如圖1所示).本潛器巡航速度3節(jié)，最大速度5節(jié).舵翼采用NACA0015翼型［6-8］，為梯形舵翼，主要參數(shù)為:翼展長265.6 mm，根弦長231 mm，端弦長90.8 mm，平均弦長164.8 mm，厚度比0.149，錐度比0.393，表面積43 347 mm2，展弦比1.612，導(dǎo)邊迎角101°，舵桿至導(dǎo)邊距離62.6 mm.

1.2 網(wǎng)格劃分

圖1 艇體三維模型Fig.1 3D model of AUV

圖2 混合網(wǎng)格Fig.2 Mixture mesh

計(jì)算域外部整體為圓柱體域，其中計(jì)算域首端距艇首長度為1.8個(gè)艇長，尾端距潛器尾部為4個(gè)艇長，橫剖面頂端距艇體為1個(gè)艇長長度，計(jì)算域劃分如圖2所示.為有效降低網(wǎng)格數(shù)量，采用混合網(wǎng)格對(duì)整體計(jì)算域進(jìn)行劃分［9］.把計(jì)算域分成網(wǎng)格較密的艇體及舵翼的內(nèi)流場和網(wǎng)格較稀疏的外流場.考慮到艇體的首尾部、舵翼端部和舵梢等位置變化曲率較大，因此內(nèi)流場采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，控制網(wǎng)格的大小和節(jié)點(diǎn)的密度，以保證生成高質(zhì)量網(wǎng)格.外流場由于空間較大，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格和棱柱體網(wǎng)格，這種網(wǎng)格搭配模式既可以減少網(wǎng)格數(shù)量，也能提高網(wǎng)格的質(zhì)量.本文使用RNG（renormalization－group）k－ε模型［10］，邊界條件設(shè)置為：入口處為速度入口，出口處為壓力出口，其余設(shè)置為壁面條件.

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 水平舵水動(dòng)力性能

圖3為水平舵水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果.由圖可見，舵翼舵角α約為6°時(shí)升阻比達(dá)最大，隨著舵角增加，升阻比下降.在小舵角時(shí)該舵具有較高的舵效，有利于水下自主航行器的操縱.

圖4為不同舵角下流場矢量圖.結(jié)果顯示當(dāng)舵角α＜15°時(shí)，舵根附近漩渦區(qū)域較??；隨α增加，舵根區(qū)流體速度逐漸降低，渦流區(qū)域逐漸擴(kuò)大；當(dāng)α＝20°時(shí)，渦流區(qū)域擴(kuò)大到舵長的1／3左右；當(dāng)α＝25°時(shí)，渦流區(qū)域覆蓋了舵后大半?yún)^(qū)域；當(dāng)α＝30°時(shí)，舵后區(qū)域幾乎已經(jīng)被渦流區(qū)域完全覆蓋.升力、阻力曲線顯示，當(dāng)15°＜α＜20°時(shí)，舵的升力變化趨緩，當(dāng)α＞20°后升力開始下降.這是由于當(dāng)α＝15°時(shí)開始出現(xiàn)渦流區(qū)域，且此區(qū)域隨著舵角的增加而逐漸擴(kuò)大所致，產(chǎn)生渦流后流體速度降低，升力下降.

圖3 水平舵水動(dòng)力性能Fig.3 Hydrodynamic performance of diving rudder

圖4 流場矢量圖Fig.4 The vector diagram of flow field

2.2 垂直舵水動(dòng)力性能

垂直舵有上、下垂直舵，雖是同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于聲納和艇體中部平底引起艇體上下流場不對(duì)稱，使得上下垂直舵產(chǎn)生的舵力有差異.圖5為聲吶與垂直上舵區(qū)域流場分布，聲納的存在改變了垂直上舵入口處的流場，從而影響垂直上舵的水動(dòng)力性能.圖6為不同航速下垂直舵受力曲線，可見垂直上舵升力明顯比垂直下舵升力低，因?yàn)閬砹魉俣容^低時(shí)，舵翼產(chǎn)生的升力也較小.聲吶的存在引起聲吶后方流體區(qū)域流速減慢，導(dǎo)致垂直上舵水動(dòng)力性能明顯降低.

由于上下垂直舵在相同舵角、相同航速下產(chǎn)生的升力不同，從而對(duì)水下自主航行器產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使水下航行器發(fā)生橫傾.圖7為不同航速下旋轉(zhuǎn)力矩曲線，可見當(dāng)垂直舵舵角為20°時(shí)，橫傾力矩最大.3節(jié)巡航速度時(shí)最大橫傾力矩為2.64 N·m；4節(jié)航速時(shí)最大橫傾力矩為4.9 N·m；5節(jié)航速時(shí)最大橫傾力矩為7.92 N·m.此力矩導(dǎo)致艇體在航行過程中易產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，可采用縮小垂直下舵表面積的方法降低垂直下舵橫向受力，縮小橫傾力矩，使艇體運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn).

圖5 圓柱形聲吶對(duì)垂直上舵的影響Fig.5 Influence of sonar on the top rudder

圖6 不同航速垂直舵受力情況Fig.6 Force of the vertical rudder at different speed

圖7 不同航速與舵角對(duì)艇體橫傾力矩的影響Fig.7 The influence of different speed and rudder angle on heeling moment of AUV

3 舵型優(yōu)化

由于需要保持水下自主航行器的操縱性能，舵翼面積不能改變.為提高舵效，本文探究了不同掠角對(duì)舵翼舵效的影響.將舵翼的掠角分別改為后掠7.71°，前掠5.9°和前掠12.5°，把舵翼遠(yuǎn)離艇體的一端進(jìn)行放大或縮小，模擬了不同舵角時(shí)4種舵型的升力、阻力和升阻比.

圖8為3節(jié)航速時(shí)不同舵型受力與升阻比.結(jié)果顯示，不同舵翼的阻力性能基本相同，但在20°舵角時(shí)后掠角為7.71°的舵翼阻力和升力較大，升阻比優(yōu)于其他舵翼，與原型舵相比，升阻比從3.53提升到3.85，提高了8.3%，故后掠7.71°的舵翼，其性能比原型舵在大舵角時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì).而前掠角翼型的舵，綜合性能不如原型舵.在實(shí)際設(shè)計(jì)中，建議采用后掠角為7.71°舵翼.

4 結(jié)論

本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent對(duì)300 kg級(jí)水下自主航行器及其舵翼的三維模型進(jìn)行了數(shù)值模擬仿真，計(jì)算了水下自主航行器舵翼在不同舵角、航速下的水動(dòng)力性能，得到了相應(yīng)的升力、升阻比、橫傾力矩和流場分布等.結(jié)果表明：水下自主航行器正常航行時(shí)，舵翼舵角超過20°后，阻力隨舵角增加而增加，升力變化不明顯，升阻比下降，舵翼尾端會(huì)出現(xiàn)漩渦而影響舵翼水動(dòng)力性能；垂直舵由于聲吶影響，造成垂直上、下舵受力不對(duì)稱，3節(jié)航速時(shí)可形成2.64 N·m的力矩；優(yōu)化設(shè)計(jì)得到后掠7.71°角的舵翼在理論上有更好的水動(dòng)力性能，可對(duì)后續(xù)設(shè)計(jì)提供參考.

圖8 3節(jié)航速下不同舵的水動(dòng)力性能Fig.8 Hydrodynamic performance of different rudders at speed 3 kn

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Hydrodynamic performance prediction on the rudder wing of autonomous underwater vehicle

LYU Xinbei，ZHANG Tiedong＊，WANG Cong，PANG Yongjie

（Sch of Ship Engin，Haerbin Engin Univ，Haerbin 150001，China）

Aiming at the crucial issues in the design of a stern rudder for autonomous underwater vehicle，the hydrodynamic performance and the distribution of flow field with different rudder angles and different speed of the 300 kg autonomous underwater vehicle are investigated using 3D computational fluid dynamics method.The reason of the hydrodynamic performance changing and the influence on top rudder by the sona have been analyzed.Optimal design for the rudder wing has also been made.The results show that the hydrodynamic performance of the rudder wing will decline obviously when the angle of the rudder wing is more than 20 degrees.The new rudder wing with 7.71 degrees has better hydrodynamic performance than the formal one.The results have certain reference value for the follow－up design.

autonomous underwater vehicle；rudder wing；hydrodynamic；distribution of flow field；numerical simulation

TP 242.3

A

1007-824X(2015)03-0056-04

2015-01-22.* 聯(lián)系人，E-mail:zhangtiedong@hrbeu.edu.cn.

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011AA09A106);中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2012M510928).

呂欣倍，張鐵棟，王聰，等.水下自主航行器舵翼水動(dòng)力性能分析［J］.揚(yáng)州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2015，18(3):56-59.

（責(zé)任編輯 秋 實(shí)）