0 引　言

水下滑翔机是一种新型的无人无缆潜航器，通过浮力驱动在水下完成滑翔运动，具有续航长、航程远、覆盖范围广、成本低等优点。传统水下滑翔机由回转体壳体和水翼组成，其典型代表包括Slocum滑翔机^[2]、Seaglider滑翔机^[3]及Spray滑翔机^[4]等。最大升阻比是影响水下滑翔机经济性的重要指标之一，由于传统水下滑翔机的主体部分对升阻比贡献较小，通过改变水翼结构达到的最大升阻比通常难以突破5^[5]，加之垂直于机身的海流影响，传统水下滑翔机的经济性受到很大的制约^[6]。此外，传统滑翔机与其他潜航器一样，受到外形尺寸的限制，内部空间通常较小，限制了功能模块的搭载数量，随着海洋技术的发展，为有效适应日益增长的任务难度和复杂度，新型水下滑翔机应运而生。

翼身融合式水下滑翔机是一种新型水下滑翔机形式。翼身融合体（BWB）的概念始于航空工业，早在20世纪30年代就有探讨。翼身融合设计的飞机，实现了机身与机翼的光顺接合，并产生一部分升力，能有效在增大气动效率的同时降低噪声^[7]。针对翼身融合式水下滑翔机，国内外的研究工作正逐步深入。美国海军研发的Xray型飞翼式水下滑翔机显著提高了滑翔机的最大升阻比，但内部空间比较有限。OKONKWO等^[8]提出了一种翼身融合外形设计，能够在提升最大升阻比的同时，保证足够的内部空间。在国内，孙春亚等^[9]以最大航程为目标，针对上述外形的翼身融合水下滑翔机进行优化，提高了其最大升阻比，验证了该设计的可行性。张代雨等^[10]为该设计的全参数建模及优化提供了方法借鉴。目前，在内部容积方面的研究较少。增大内部容积能有效增加水下滑翔机搭载的能源及功能模块数量，对扩大水下滑翔机的工作范围，提升水下滑翔机功能的多样性具有重要意义。

本文采用数值仿真方法，以提高水下无人机内部空间，增强功能搭载能力为目的。在相等容积的条件下对传统水下滑翔机与翼身融合式水下滑翔机进行外形设计及仿真计算，对比分析传统滑翔机与翼身融合滑翔机水动力性能的优劣，得出了相等容积下翼身融合式水下滑翔机水动力性能更优的结论。

1 外形设计 1.1 传统水下滑翔机设计方案

传统水下滑翔机艇体外形常用的有水滴形和低阻层流形。其中水滴型回转体线型的阻力较低，同时在相对较小的尺寸内可以提供较大的装载空间^[11]。本文借鉴Slocum滑翔机的外形，采用水滴型主体，包括椭圆形首部，平行中段及抛物线形尾部。艇体中部的水平翼及尾部的垂直稳定翼采用对称翼型，考虑到搭载设备的需要，最终选取厚度比较厚的0.15的NACA0015作为翼型。传统传统水下滑翔机水动力外形（以下简称模型1）如图1所示，相关设计基础参数见表1。

1.2 翼身融合外形设计方案

翼身融合水下滑翔机外形采用如图2所示的设计方案，本体由主体以及两侧机翼两部分组成。两侧机翼与主体的平滑过渡，使得该外形具有流体动力性能好、稳定性高、有效装载空间大等特点。在水平剖面上，将椭球形主体与机翼通过样条曲线平滑连接。在纵剖面上，将本体切割为NACA0015翼型。翼身融合式水下滑翔机水动力外形（以下简称模型2）设计基础参数见表1。

本文分析的2种水动力外形主要参数对比如表3所示，2个外形的内部容积相等。

2 数值计算 2.1 计算域与网格划分

为了保证计算外形不同攻角水动力特性时的效率，计算域及网格划分主要遵循以下原则：1）由于2个模型均为左右对称，且本研究只计算水动力性能，可以取一半进行计算；2）计算域采用矩形，尺寸为8L×2L×5L（L为模型一的特征长度），边界条件设定见图3；3）采用切割体网格进行网格划分，对模型所在的区域及进行局部加密，最终网格数量控制在150~180万。图4为网格划分情况。

2.2 计算工况确定

在计算2种模型水动力特性时，考虑到NACA0015的失速攻角，由0°～15°，间隔3°，补算5°和10°攻角，设计航速为0.50~1.25 m/s，间隔0.25 m/s，共计64个计算工况。

2.3 计算方法

基于粘流理论，选取不可压缩粘性流的Navier-Stokes方程作为控制方程^[12]。

$ \frac{\partial \rho }{\partial \text{t}}+\nabla \cdot \left(\rho u\right)=0 ，$

(1)

$ \frac{\partial \left(\rho {\boldsymbol{u}}\right)}{\partial {t}}+\nabla \cdot\left(\rho {\boldsymbol{uu}}\right)=\nabla \cdot\Sigma +\rho f 。$

(2)

式中：u为速度矢量；ρ为密度； $\nabla \cdot\left(\rho {\boldsymbol{u}}\right)$ 为折算到单位体积的净流出体积微元的流体质量流量；f为单位流体质量力。

采用k-ω湍流模型，标准k-ω模型的湍动能及其比耗散率输运方程为^[13]：

$ \rho \frac{{{\rm{D}}k}}{{{\rm{D}}t}} + \rho \frac{{\partial \left( {k{{\boldsymbol{u}}_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{T_k}\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right) + {G_k} - {Y_k} ，$

(3)

$ \rho \frac{{{\rm{D}}\omega }}{{{\rm{D}}t}} + \rho \frac{{\partial \left( {\omega {{\boldsymbol{u}}_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( {{T_\omega }\frac{{\partial \omega }}{{\partial {x_j}}}} \right) + {G_\omega } - {Y_\omega }。$

(4)

式中： $ {G_k} $ 为层流速度梯度产生湍流动能； $ {G_\omega } $ 为由ω方程产生的湍流动能； $ {T_k} $ 和 $ {T_\omega } $ 为k和ω的耗散率； $ {Y_k} $ 和 $ {Y_\omega } $ 为由于扩散产生的湍流。

本次计算中流体参数设定为20℃海水，密度为1025 kg/m³，动力黏性系数取1.035×10⁻³ Pa·s。

3 计算结果分析

根据数值计算结果，对模型1和模型2的升力、阻力及升阻比等参数进行分析。

图5为两模型的总阻力随攻角变化曲线。可以看出，随着攻角的增大，2种模型的总阻力均增大，且与攻角大致呈二次函数关系，速度越大，变化越明显。二者相比，模型2的总阻力值较大，说明模型1具有更好的减阻特性。

图6为两模型的升力随攻角变化曲线。可以看出，随着攻角的增大，2种模型的升力先线性增加，当攻角分别达到5°和10°时，增长开始趋缓，速度越大，变化越明显。二者相比，模型1的升力明显大于模型1，表明翼身融合设计能够有效提高滑翔机的升力。

对总阻力、升力进行无因次化处理，得到总阻力系数C_d和升力系数C_l曲线图，如图7和图8所示。由此可得，排除速度的影响后，不同速度下滑翔机的总阻力系数C_d和升力系数C_l随攻角的变化曲线可以近似为同一条曲线。对比2种模型的曲线图可以得出结论：模型2具有较优越的减阻力性能，而模型2可以获得较大的升力。

升阻比L/R是衡量水下滑翔机经济性的重要指标，图9为2种模型的升阻比L/R随攻角变化曲线。由图8可知，2种模型的升阻比随着攻角的增大，呈现先增大后减小的趋势，分别在攻角6°和7°附近达到最大值。当攻角小于最大升阻比对应攻角时，速度越大，随攻角增加增速越大；当攻角大于最大升阻比对应攻角时，速度越大，随攻角增加，下降越明显。速度相等时，模型2的最大升阻比约为模型1的3.3倍。因此模型2的水动力性能较优于模型1。1.00 m/s速度下2种模型的升阻比变化曲线如图10所示。

4 结　语

本文为论证等容积下翼身融合式水下滑翔机对比传统水下滑翔机具有水动力性能上的优势，以增大可供搭载的容积为最终目的，设计了传统水下滑翔机和翼身融合水下滑翔机2种水动力外形，建立模型并完成了2种外形水动力性能的仿真模拟及结果分析。通过对计算数据分析可得出：

1）设计的2种水动力外形的升力、阻力及其系数随着攻角增大，变化趋势一致；

2）2种水动力外形上浮/下潜时获得最大升阻比时对应的攻角分别为6°和7°；

3）容积相等条件下，翼身融合水下滑翔机水动力性能对比传统水下滑翔机，升阻比提升了2.3倍。

结果表明，翼身融合水下滑翔机能够在提升水下滑翔机的水动力性能的同时，有效扩大了内部容积，是一种良好的水下滑翔机形式。这对指导搭载大量能源、功能模块甚至其他小型水下无人潜航器的大容积水下滑翔机的设计提供了理论依据。也对水下滑翔机水动力外形的进一步优化提供了支撑。