水下滑翔机垂直面定常运动数值的研究.pdfVIP

水下滑翔机垂直面定常运动数值研究1 2 薛雷平 胡仞与 （上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200240 ） 摘要: 本文利用工程估算方法建立了计算水下滑翔机全机垂直面水动特性的水动力工程计算模型，工程估算所需的 部件水动力数据库由流场数值模拟得到，并通过整机流场的数值模拟检验了水动力模型的精度。利用水动力工程计 算模型和垂直面运动的平衡方程，研究了定常滑翔时各运动参数之间的关系以及内部调节机构的布置对控制规律的 影响，并通过改变水动力工程估算模型中包含的外形参数，系统地研究了其对定常运动的影响。结果表明滑翔角在 30度到40度之间时有最大的水平速度，而重心调节机构与形心在垂向上的距离越近，调节装置运动的范围越小，同 时相对于展弦比，机翼面积对垂直面定常运动的影响更显著。 关键词: 水下滑翔机，垂直面定常运动，水动力工程计算模型，外形参数 引言 水下滑翔机是浮标技术与水下机器人相结合的产物，具有能耗低、续航力大、成本低和可重复 利用的特点，非常适合大尺度、长时间、大范围海洋环境监测的需要，是一种新型的水面水下监测 平台。 水下滑翔机这一概念是由美国人 Henry Stommel和 Doug Webb于 1989 年首次提出的。由于美国 海军的资助，美国的水下滑翔机技术研究已演化出三个独立的项目：Webb 公司的Slocum、华盛顿大 学的 Seaglider 和 Scripps 海洋研究所的 Spray。至 2003 年为止，这三种水下滑翔机都已投入实 际应用，充分证明了这种概念是可行的。 水下滑翔机的主要工作状态是垂直面内的定常滑翔运动，对这种运动的深入研究有利于提升其 使用性能。本文利用工程估算方法建立整机的水动力工程计算模型，估算中所需的滑翔机部件的水 动力数据库由流场数值模拟得到，并通过整机流场的数值模拟来检验水动力工程计算模型的精度； 利用水动力模型和垂直面定常运动方程分析了内部调节机构的布置和外形参数对滑翔机垂直面定常 运动的影响，为水下滑翔机的设计与应用提供了有价值的参考。 2 水动力工程计算模型 根据文献 [1] ，水下滑翔机垂直面定常运动的效率取决于下潜一定深度时，水平运动距离的远近。 滑翔角ξ 表示速度方向与水平方向的夹角，其绝对值表示运动效率的高低，滑翔角ξ 的绝对值越小， 效率越高。且有: （1） tan 1 L/Dξ （− / ） 即运动效率取决于滑翔机的的升阻比（L/D）。为避免大攻角运动时可能出现的分离和失速，实际滑 翔运动的攻角应限制在最大升阻比对应攻角之前的小攻角范围内。 本文利用工程估算方法来计算滑翔机的水动力和力矩。 用D ，L 和M 分别表示阻力，升力和附仰力矩，则有： 1 2 1 2 1 2 D VρSC d ， L VρSC l ， MV Sρl M z ； 2 2 2 其中 分别表示流体密度，运动速度的绝对值及相应的参考面积和参考长度。 ，V ，ρS ，l C C ，M ， 分别为阻力系数，升力系数及俯仰力矩系数。各水动力系数在一定速度范围内主要是 d l z 1上海市重点学科建设项目（B206 ）资助 2 lpxue@sjtu.edu.cn 攻角α 的函数。 由于