水下滑翔机总体设计与水动力性能分析
发布时间：2021-07-11 17:33
水下滑翔机作为一种新型水下运载平台,可以载有多种传感器。独特的滑翔运动方式使其可以长时间地对目标海域进行大范围,大深度的环境数据采集,除此之外还可以通过适当改装调整,实现诸如地形测量,海上侦查,水下搜索乃至反潜作战等用途。本课题对深海型滑翔机进行设计,并对其各主要子系统,包括耐压壳体、外部型线、浮力调节系统以及姿态调节系统进行多方案比较和计算分析,并阐释了内部功能如何实现其运动过程。其次,建立一个深海滑翔机的三维模型,模拟了其稳态滑翔时的流动问题,并结合水下滑翔机的工作环境选择合适的湍流模型,最后利用三维建模软件与CFD计算了水下滑翔机直航状态的升力阻力,了解其升阻力等的变化规律;并进一步计算了实际斜航工况不同滑翔速度下的受力随着攻角的变化规律,最终得到其实现稳态滑翔的条件,以及相关变量之间的关系。在上述结论的基础上,选取了滑翔机的翼型以及艇体长径比作为外形优化研究的对象,对比了平板翼以及NACA0008翼型,以及艇体中部平行中体不同长径比的情况。结果表明,NACA0008翼型对于它的水动力性能有较为明显的提高,并且得到了本模型更适合的长径比数据。最后,从能量角度对水下滑翔机的滑翔效率...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同类型的滑翔机Fig.1-1Differenttypesofglider水下滑翔机（UG）的概念来源于空中滑翔，常见的滑翔伞、滑翔翼可以使人
上海交通大学硕士学位论文这样，在垂向上的浮沉动力和水翼的共同作用，再加上一定的运动攻角，便能将竖直方向的净浮力转化为水平方向的推进力，从而产生滑翔运动。在滑翔的过程中，当需要调整滑翔机的运动状态的时候，例如下沉到接近海底之前，此时启动运动调节系统，就可以短时间内将下沉状态转变成上浮状态，其余过程均可实现受力平衡地稳态滑翔。它主要有两种运动模式，稳态滑翔和回转,如图 1-2 所示。定常滑翔就是不断的交替上浮下沉，从而维持在一定的水深区间内，这样的运动轨迹类似于锯齿，所以又叫做“锯齿形运动”；在回转过程中，只需保持重心与浮心的侧向偏移量不变，回转运动与垂向运动结合产生的运动轨迹为螺旋形，所以称为“螺旋形运动”。正是因为运动状态调整之间的长时间稳态滑翔，才能建立起滑翔机的节能优势。
图 1-3 第一代水下滑翔机Fig.1-3 First generation of underwater glidersSlocum 型有两种不同的型号：battery 和 thermal，两者在很多方面使用相同的设计方案，只不过作业水深不同，前者为浅海作业型，后者则是深海作业型。由于浅海水深不大，所以 battery 采用单壳体结构，同时浅水中海草较多，为了避免缠绕，尾翼采用后掠式。Thermal 在深海作业时需要跨越大洋的主温跃层，所以采用温差能提供能量补充能够很好地提高滑翔机的续航时间。Spray 由美国 Scripps Institution 研制。它的外形和 Slocum 较为近似，但是壳体更加细长，阻力性能更佳。在布置方面，将通信天线内置于滑翔翼之中，而一般的滑翔机则是把天线安装在尾翼之中。这使得 Spray 在完成一个滑翔周期回到水面进行数据通信时，不是将尾翼抬起，而是需要横滚将滑翔翼抬起，控制方法有所不同。1999 年 8 月，3 台 Spray 样机在 Monterey Bay 进行编队试验，在 17天的时间里在外执行任务达 300 多海里。水下滑翔机 Seaglider 由华盛顿大学开发研制，外形相比于 Spray 和 Slocum 有较大差异，壳体的首部直径较小，向后逐渐增大，最大直径在距首部 70%处。通
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的碟型水下滑翔机结构优化[J]. 甄春博,刘兆瑞,王天霖,英扬,于鹏垚. 海洋技术学报. 2017(02)
[2]水下滑翔机的研究现状与面临的挑战[J]. 温浩然,魏纳新,刘飞. 船舶工程. 2015(01)
[3]水下滑翔机水动力外形研究综述[J]. 李志伟,崔维成. 船舶力学. 2012(07)
[4]水下滑翔机总体设计与运动分析[J]. 曾庆礼,张宇文,赵加鹏. 计算机仿真. 2010(01)
[5]水下滑翔机研究进展及关键技术[J]. 程雪梅. 鱼雷技术. 2009(06)
[6]水下滑翔机的运动模型建立及仿真[J]. 邵鑫,石秀华,曹永辉,李强. 计算机仿真. 2009(11)
[7]水下滑翔机浮力调节系统设计及动态性能研究[J]. 赵伟,杨灿军,陈鹰. 浙江大学学报(工学版). 2009(10)
[8]水下滑翔器设计参数与运动性能分析[J]. 王延辉,张宏伟,陈超英. 天津大学学报. 2009(09)
[9]水下滑翔机器人控制系统研究与开发[J]. 张禹,石莹,杨国哲,苏东海. 制造业自动化. 2009(05)
[10]水下滑翔机原理样机设计与分析[J]. 王冲,张志宏,顾建农,刘巨斌. 固体力学学报. 2008(S1)
硕士论文
[1]水下滑翔机设计、优化及运动模拟[D]. 叶效伟.上海交通大学 2013
[2]水下滑翔机设计优化与运动分析[D]. 诸敏.浙江大学 2007
[3]基于QNX的水下滑翔机器人嵌入式控制系统的研究与实现[D]. 刘松.沈阳工业大学 2007
[4]我国海洋环境监测工作发展的对策研究[D]. 易晓蕾.中国海洋大学 2003
本文编号：3278539
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：96 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
不同类型的滑翔机Fig.1-1Differenttypesofglider水下滑翔机（UG）的概念来源于空中滑翔，常见的滑翔伞、滑翔翼可以使人
上海交通大学硕士学位论文这样，在垂向上的浮沉动力和水翼的共同作用，再加上一定的运动攻角，便能将竖直方向的净浮力转化为水平方向的推进力，从而产生滑翔运动。在滑翔的过程中，当需要调整滑翔机的运动状态的时候，例如下沉到接近海底之前，此时启动运动调节系统，就可以短时间内将下沉状态转变成上浮状态，其余过程均可实现受力平衡地稳态滑翔。它主要有两种运动模式，稳态滑翔和回转,如图 1-2 所示。定常滑翔就是不断的交替上浮下沉，从而维持在一定的水深区间内，这样的运动轨迹类似于锯齿，所以又叫做“锯齿形运动”；在回转过程中，只需保持重心与浮心的侧向偏移量不变，回转运动与垂向运动结合产生的运动轨迹为螺旋形，所以称为“螺旋形运动”。正是因为运动状态调整之间的长时间稳态滑翔，才能建立起滑翔机的节能优势。
图 1-3 第一代水下滑翔机Fig.1-3 First generation of underwater glidersSlocum 型有两种不同的型号：battery 和 thermal，两者在很多方面使用相同的设计方案，只不过作业水深不同，前者为浅海作业型，后者则是深海作业型。由于浅海水深不大，所以 battery 采用单壳体结构，同时浅水中海草较多，为了避免缠绕，尾翼采用后掠式。Thermal 在深海作业时需要跨越大洋的主温跃层，所以采用温差能提供能量补充能够很好地提高滑翔机的续航时间。Spray 由美国 Scripps Institution 研制。它的外形和 Slocum 较为近似，但是壳体更加细长，阻力性能更佳。在布置方面，将通信天线内置于滑翔翼之中，而一般的滑翔机则是把天线安装在尾翼之中。这使得 Spray 在完成一个滑翔周期回到水面进行数据通信时，不是将尾翼抬起，而是需要横滚将滑翔翼抬起，控制方法有所不同。1999 年 8 月，3 台 Spray 样机在 Monterey Bay 进行编队试验，在 17天的时间里在外执行任务达 300 多海里。水下滑翔机 Seaglider 由华盛顿大学开发研制，外形相比于 Spray 和 Slocum 有较大差异，壳体的首部直径较小，向后逐渐增大，最大直径在距首部 70%处。通
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传算法的碟型水下滑翔机结构优化[J]. 甄春博,刘兆瑞,王天霖,英扬,于鹏垚. 海洋技术学报. 2017(02)
[2]水下滑翔机的研究现状与面临的挑战[J]. 温浩然,魏纳新,刘飞. 船舶工程. 2015(01)
[3]水下滑翔机水动力外形研究综述[J]. 李志伟,崔维成. 船舶力学. 2012(07)
[4]水下滑翔机总体设计与运动分析[J]. 曾庆礼,张宇文,赵加鹏. 计算机仿真. 2010(01)
[5]水下滑翔机研究进展及关键技术[J]. 程雪梅. 鱼雷技术. 2009(06)
[6]水下滑翔机的运动模型建立及仿真[J]. 邵鑫,石秀华,曹永辉,李强. 计算机仿真. 2009(11)
[7]水下滑翔机浮力调节系统设计及动态性能研究[J]. 赵伟,杨灿军,陈鹰. 浙江大学学报(工学版). 2009(10)
[8]水下滑翔器设计参数与运动性能分析[J]. 王延辉,张宏伟,陈超英. 天津大学学报. 2009(09)
[9]水下滑翔机器人控制系统研究与开发[J]. 张禹,石莹,杨国哲,苏东海. 制造业自动化. 2009(05)
[10]水下滑翔机原理样机设计与分析[J]. 王冲,张志宏,顾建农,刘巨斌. 固体力学学报. 2008(S1)
硕士论文
[1]水下滑翔机设计、优化及运动模拟[D]. 叶效伟.上海交通大学 2013
[2]水下滑翔机设计优化与运动分析[D]. 诸敏.浙江大学 2007
[3]基于QNX的水下滑翔机器人嵌入式控制系统的研究与实现[D]. 刘松.沈阳工业大学 2007
[4]我国海洋环境监测工作发展的对策研究[D]. 易晓蕾.中国海洋大学 2003
本文编号：3278539
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