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水下滑翔机高效滑翔及仿生推进水动力学特性研究

李永成  
【摘要】:水下滑翔机是近年来诞生的一种新型水下运载器,具有长航程、低成本和高续航力等优点。作为近年来新兴的自主式水下潜航器,水下滑翔机在国际上仅有少数几家研究机构具备生产能力,其研究和开发正处于国际海洋技术研究的前沿。然而除了上述优点,滑翔机自身也存在一些问题亟待解决。首先由于受到机体尺寸的限制,滑翔机唯一能量来源的电池块容量不可能无限扩大,因此其航程和续航力必将受到限制;此外,滑翔机在滑翔过程中一旦遭遇洋流速度大于前进速度,滑翔机便会偏离预定航线,变得“随波逐流”从而无法完成预期任务。鉴于此,本论文在充分借鉴国内外运载器最新研究成果的基础上,将水下滑翔机加入高效滑翔及仿生推进的设计理念。力求为解决上述问题提供一些新思路。本论文主要工作如下:水下滑翔机高效滑翔的水动力学特性研究。在传统水下滑翔机设计上引入高效滑翔的设计理念,希望可以在有限的能量供应基础上提高滑翔效率从而增大航程和续航力。首先在对典型滑翔机性能分析的基础上设计出了水动力性能优良的新型滑翔机外形作为后续计算的基本模型;其次,提出新的目标函数用以对滑翔机的水动力特性进行客观准确地评价;紧接着,引入可转动机翼的概念设想,希望在不同滑翔姿态下,机翼与机体可以采取不同交角以提高滑翔效率。通过计算水下滑翔机在各种姿态(重点在机翼不同安放角)下的水动力系数,分析水下滑翔机流场的流动结构,探索水下滑翔机高效滑翔的水动力学机理。水下滑翔机仿生推进的水动力学特性研究。本部分在传统水下滑翔机设计上加入仿生推进的设计理念,希望借助机翼的运动来增加滑翔机的滑翔速度,从而解决传统滑翔机易“随波逐流”的问题。本部分工作主要分为两部分,即探讨机翼分别采取拍动运动和波动运动两种不同方式运动时对推进性能的影响。以优化的浸没边界法为基础结合N-S方程,采用自编程序对水下滑翔机仿生推进进行数值模拟研究,分析机翼运动参数,如幅值、频率、升沉俯仰相位差、波长等对推进性能的影响。通过自定义的推进效率以及对机翼后方的尾涡流场结构分析确立了不同预期前进速度下的最佳运动参数,从而为以后仿生潜器的研究设计提供理论指导。


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