水下热滑翔机的外壳形状分析研究与试验

【摘要】：水下热滑翔机是人类迈向海洋，征服海洋的重要武器。水下热滑翔机作为一种高效环保，浮力驱动，低噪声的自主式水下运载器，可以广泛用于海洋科考以及军事经济领域。与传统的电力推进的水下机器人相比，水下热滑翔机以海洋温差能为能源，通过特殊的动力装置将热能转化为机械能进行航行，由于无须配备电池，其续航能力远强于电力推进的水下机器人。 需要注意到海洋温跃层的温差较小，往往不超过20℃，温度梯度值仅为约0.2℃/m，可利用的温差能的能量品质较为低下。因此，水下热滑翔机必须面对热机效率较低，热机输出功率不大的情况。在这种情况下，为了能够持续航行，势必要求水下热滑翔机具有较高的水动力性能，如较低的阻力而较大的升力等。基于以上考虑，本文进行外形设计的主要出发点之一是择优挑选具有较高水动力性能的设计方案。 水下热滑翔机无外挂推进装置，通过相变材料的体积变化来产生正负净浮力控制滑翔机的运动状态。净浮力的变化只能实现滑翔机的沉浮运动，为了实现水平运动和偏转运动，实现机动地航行，需要装配水平翼和尾翼，水平翼可以将升力转化为水平力，而尾翼可以产生侧向力。本文以优化设计大升阻比的机翼为目标，通过CFD技术和机翼性能的经验公式，分别对水平翼和尾翼的翼型和平面形状参数进行分析，并通过数值模拟的方法，优化水平翼及尾翼的合理安装位置，使得机翼造成的阻力增加量较小同时机翼本身相对于滑翔机的力学效果最佳。 水下热滑翔机的外壳设计和试制完成后，为了检验滑翔机的实际性能，需要选择合适的场所进行试验。如果选择具有温跃层的海洋或湖泊作为试验地，则需要消耗较大的成本和较长的时间，非常不便，而且由于水下自然环境复杂面临丢失模型的风险。因此，本文基于相似理论研究在室内建立海洋温跃层模拟水池的方案，为水下热滑翔机提供可重复性高，稳定便捷的试验环境。合理地设计室内海洋温跃层模拟水池参数，如缩尺比，水池的主尺度，温度梯度场，动力相似数等。最后，通过传感器实测验证了设计的温度梯度的目标值，说明具备了模拟海洋温跃层的能力。 为了检测设计的水下热滑翔机的水动力性能，基于建成的海洋温跃层模拟水池，搭设水动力试验系统。该系统由拖曳系统，应变电测系统，数据采集系统三部分组成。在试验前，利用标定试验验证了自制测力元件的可靠性，然后对不同迎角状态下的滑翔机缩尺模型的阻力进行了实测。通过缩尺模型试验得到了水下热滑翔机在不同攻角下第一手的阻力数据，为今后水下热滑翔机的功率设计打下了基础；通过与数值计算的结果进行比对，还验证了温跃层模拟水池水动力模拟的可靠性。