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水下滑翔机水动力学性能分析 1 水下滑辉机研究进展 海洋是一个自然资源的集合，是人类可持续发展的重要物质来源。同时，海洋具有重要的军事战略意义。在海洋开发的热潮及现代化战争呈现“信息化局部战争”态势下, 水下无人运载器越来越为先进国家所重视。水下滑翔机就是近年来诞生的一种令人耳目一新的无人潜航器, 其独特的设计显示出了极大的优势。它不需要任何燃料作为动力, 可长时间续航, 其续航力是以月和年计。自1989年Henry Stommel提出“水下滑翔机”的概念以来, 各种各样的水下滑翔机纷纷问世, 为无人运载器在军用及民用领域的应用谱写了崭新的篇章。 美国许多高校和海洋研究所联合研制开发了几种类型的水下滑翔机, 代表了水下滑翔机研究的最高水平。主要包括:ROGUE、SLOCUM、SPRAY和SEAGLIDER。总体来说, 除用于实验研究的ROGUE外, 其他水下滑翔机的机体尺寸和重量相差不多, 体长2m左右, 重约50kg, 而且机身形状都属于细长回转体, 这种设计既可以保证一定的装载量和续航力来完成其任务, 同时尺寸小, 阻力低。 上述机构还对水下滑翔机运动及控制特性进行了研究, 并对其运动路径进行数值仿真, 基本上弄清了运动及控制的规律。由于处在概念设计阶段, 涉及到机体的升力和阻力一般依靠试验或经验公式来确定。然而这种仅仅依靠电池驱动的水下滑翔机需要获得长航程和高续航力, 除了需要配备高能电池外, 最重要的是要提高滑翔效率, 而升力和阻力是决定效率的关键因素。前人曾对潜艇、水面船的水动力学机理进行了深入地研究, 而水下滑翔机的运动原理比较独特, 其水动力学性能也会有一定差异。为此非常必要进行水下滑翔机的水动力学特性研究, 精确预测水下滑翔机的升力、阻力随剩余浮力及重心变化的规律, 继而进行水动力外形设计和优化, 降低阻力, 提高性能。 2 水下滑辉机的动态 我们可以通过水下滑翔机受到的力来分析水下滑翔机的运动机理。在水下滑翔机上建立随体坐标系, 原点取机体浮心, 重力G在机体质量中心, 重心与浮心水平偏移量为d, 水下滑翔机轴线与水平方向夹角为纵倾角θ, 滑翔速度与水下滑翔机轴线夹角为攻角α, 机体受到外界的沿机身轴线方向阻力D, 垂直机身轴线向下的升力L以及相对原点的转矩M, 坐标系和受力如图1所示。 水下滑翔机初始下潜、上浮运动和姿态调整过程是非定常的, 而在下潜和上浮过程中是定常的, 水下滑翔机处于平衡状态。设水下滑翔机质量为m, 俯仰转动惯量为J, 仅在X-Z平面内运动, 其运动可以表示为: V=(V1,0,V3),Ω=(0,Ω,0)V=(V1,0,V3),Ω=(0,Ω,0) 由于在匀速上浮过程, 水下滑翔机所受合力和力矩为零, 为此有: ?????????????????x¨=V˙1=[(F?G)?sinθ?D]/m=0z¨=V˙3=[(F?G)?cosθ?L]/m=0θ¨=Ω˙=[G?d?M)/J=0(1){x¨=V˙1=[(F-G)?sinθ-D]/m=0z¨=V˙3=[(F-G)?cosθ-L]/m=0θ¨=Ω˙=[G?d-Μ)/J=0(1) 式中x¨x¨是沿X轴方向的加速度,z¨z¨是沿Z轴方向的加速度,θ¨θ¨是旋转加速度。 因此 ???????????(F?G)?sinθ=D(F?G)?cosθ=L→G?d=M?????tgθ=D/LG=F?L/cosθd=M/G(2){(F-G)?sinθ=D(F-G)?cosθ=L→G?d=Μ{tgθ=D/LG=F-L/cosθd=Μ/G(2) 水下滑翔机匀速下潜情况与上滑情况类似, 不再赘述。 3 来流速度、攻角及阻力变化规律 马峥等对水下滑翔机的运动和水动力学机理进行了初步的分析, 在此基础上对水下滑翔机的外形进行了优化, 优化后的水下滑翔机外形由主体、机翼和尾垂直舵构成, 总长为1.5 m, 除去尾舵后主体长1.2 m。其中, 中部为圆柱体, 直径0.25 m, 长0.625 m;头部为半椭球体, 短半轴0.125 m, 长半轴0.175 m;尾部为半椭球体, 短半轴0.125 m, 长半轴0.4 m。机翼采用NACA0015翼型, 弦长0.15 m, 翼展1.0 m。其中机身两边各翼展长0.375 m, 加上机身直径0.25 m, 总长为1.0 m。机翼最大厚度为0.03 m, 机翼最大厚度位置矩机翼头部0.0375 m, 最大厚度位置在机身正中 (距离头部0.6 m) 。计算模型如图2所示。 利用Fluent软件对水下滑翔机的周围流场进行了模拟, 由于雷诺数在105量级, 低阻外形使得在来流均匀稳定情况下能够保证层流流动, 故采用层流流动计算。得到了水下滑翔机在速度分别为0.2 m/s, 0.4 m/s, 0.6 m/s和0.8 m/s时在攻角0°～20