仿翠鸟水空跨介质航行器设计与入水分析

为了满足水空跨介质航行器的推进需求,精简其动力系统,仿翠鸟设计由单一动力源驱动的水空跨介质航行器.通过计算流体力学(CFD)软件仿真分析入水高度、入水角度和航行器密度等关键影响因素对航行器入水速度、深度和冲击加速度等动力学性能的影响,并与自然界翠鸟的入水性能进行对比.结果表明:在入水角度一定时,增加入水高度将导致航行器所受的冲击加速度增量与入水深度增量的比值增大,从而提高相同条件下对结构强度的要求;在一定范围内航行器密度的增加有利于降低对结构强度的要求;当入水角度约为45°~60°时,所需结构强度最低.在入水深度满足要求的情况下,应适当增大航行器的密度、减小入水高度,且航行器的最佳入水角度为45°~60°.

自由液面对NACA0012翼型流体动力特性影响研究

跨介质航行器在跨越水空介质运动时,自由液面对航行器机翼有较大的影响,为总体设计和航行控制带来挑战。为了探究机翼从空中和水下远场接近自由液面过程的流体动力特性变化,以NACA0012翼型为例,采用计算流体动力学方法,基于流体体积多相流模型建立机翼从空中和水下接近自由液面的流场数值仿真模型,验证了模型的可行性,研究了机翼工作在自由液面附近时的流体动力特性。结果表明:机翼以正攻角从空中远场接近自由液面的过程中,阻力系数逐渐减小,升力系数和升阻比都逐渐增大;机翼从水下远场接近自由液面的过程中,升力系数和升阻比均逐渐减小,当距离超过10倍弦长时,阻力系数因兴波作用逐渐增大,当距离小于10倍弦长时阻力系数则迅速减小。研究结果可为跨介质航行器的总体设计和航行控制提供参考。