水下滑翔机运动特性对温盐深测量质量的影响分析

【摘要】：温度、盐度和深度以及由此三要素计算得到的密度、声速是海洋基本物理参数。现有温盐深观测平台不能同时满足测量精度、经济性和机动性要求。水下滑翔机作为一种新型的海洋观测平台,可搭载温盐深测量仪进行长时序、大范围、三维立体和精细化温盐深观测,是理想的温盐深观测手段。然而,基于水下滑翔机平台的温盐深观测方法还未形成规范,其运动对测量质量的影响还有待深入研究。为此,本文基于天津大学研制的“海燕”号水下滑翔机,研究其运动特性与温盐深观测数据质量的关系,为水下滑翔机有效、快速获取高精度、高时空分辨率的温盐深数据提供理论指导。本文研究成果如下:(1)借鉴其他成熟的温盐深观测手段,结合水下滑翔机工作特性,以测量精细化、快速性和有效性为目标,提出了水下滑翔机观测过程中的速度约束条件、稳定性约束条件和湍流约束条件。基于空间分辨率和快速覆盖采样平衡问题,建立了水下滑翔机纵垂面动力学模型,由此计算出滑翔机最大速度,并分析海试数据对速度进行了验证。统计滑翔机全剖面垂直速度分布,分析全剖面姿态变化,验证了滑翔机滑翔运动的稳定性。(2)分析了滑翔机使用电池包滚转和尾部操舵实现转弯运动的工作原理,运用动量和动量矩定理,建立了空间螺旋运动的运动学和动力学模型。求取了水下滑翔机水动力系数,获得了两种转弯方式稳态转弯运动仿真结果。使用计算流体力学方法,仿真温盐深测量仪布置在前端、后端的速度场和湍流场,结果显示姿态角度影响测量质量,温盐深测量仪布置在前端所受流场干扰较小。(3)海试数据表明,水下滑翔机观测的温度、盐度和密度曲线与船载定点数据吻合良好。以温度、盐度尖峰和连续性检测为评价指标,验证了水下滑翔机运动姿态角度对温盐深观测质量的影响。