混合驱动水下滑翔器滑翔状态机翼水动力特性
水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究
Hydrodynamic analysis and optimization on the gliding attitude of the under water glider
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式中 x 是沿 X 轴方向的加速度 , z 是沿 Z 轴方向的加
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速度 ,θ是旋转加速度 。
因此
马冬梅 ,等 :水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究
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( F - G) ·sinθ = D t gθ = D/ L ( F - G) ·co sθ = L → G = F - L / co sθ (2)
角增大呈现减少趋势外 ,其他来流速度下 ,随攻角增 角增大 ,机翼侧面靠后部分压力逐渐增高而接近外界
大呈现先增大后减小的趋势 。最大阻力在 4°攻角左 环境压力 ,致使机翼压阻力呈现减小趋势 。但当来流
右 ,这与总阻力随攻角变化的趋势大体相同 。说明翼 速度较大时 (0. 8 m/ s) ,尾部涡对在很小攻角时就开
图 5 不同速度下阻力随攻角变化曲线
为了分析阻力变化趋势以及在水下滑翔机各部 分阻力所占的比重 ,将计算结果中的阻力分解为艇体 摩擦阻力 、翼摩擦阻力 、艇体压阻力和翼压阻力 。结 果如图 6 所示 。
由图 6 中可以看出艇体摩擦阻力基本上是随攻
706
水 动 力 学 研 究 与 进 展 2007 年第 6 期
MA Do ng2mei , MA Zheng , ZHAN G Hua , YAO Hui2zhi
(China Ship Scientific Research Center , Wuxi 214082 , China)
翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析
Ｓｈａ ｐｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎｄ ｈｙ ｄｒ ｏ ｄ ｙｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｂ ｌ ｅ ｎｄｅ ｄ － － ｗｉ ｎｇ － － ｂｏ ｄ ｙ ｕｎｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄｅ ｒ
数 ，选 用 扁 平 椭 球 体 作 为翼 身 融 合 水 下 滑翔 机 壳体 的基 本形 状 ；在 此 基 础 上 ，设计 出 翼 身 融 合 水 下 滑 翔 机 的 三 维 模 型 ； 最 后 ，采 用 计 算 流 体 力 学 （ Ｃ Ｆ Ｄ ）的 方 法 对 翼 身 融 合 水 下 滑 翔 机 进 行 仿 真 模 拟 并 分 析 其 水 动 力 性 能 ，结 果 表 明 ，采 用 翼 身 融 合 布 局 的水 下 滑翔 机 ，其 水 动 力 性 能 得 到 显 著 提 高 。
ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｂｌ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ － Ｗｉ ｎ ｇ － Ｂ ｏ ｄ ｙ（ Ｂ ＷＢ ） ｕ ｎ ｄ ｅ ｗａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ． Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｌ ｙ ， ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ａ ｔ
ｉ ｆ ｖ ｅ ｔ ｙ ｐ ｉ ｃ ａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎｔ ｇ ｙ ｐ ｅ ｓ ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗ ｈａ ｔ ｔ ｈｅ ｔ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｎａ ｙ ｍｉ ｃ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｍ ａ ｒ ｎｃ ｅ ｏ ｆ ｈｅ ｔ ｕ ｎ ｄ ｅ ｗ ａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｂ ｌ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ － ｗｉ ｎ ｇ － ｂ ｏ ｄ ｙ ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｓ ｓ ｉ ｎ ｉ ｇ ｉ ｆ ｃ ｎｔ ａ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ．
大翼展混合驱动无人水下航行器总体设计及性能分析
大翼展混合驱动无人水下航行器总体设计及性能分析凌宏杰1,2，张学丰1,2，孙玉山1，王志东2，张 贝2(1. 哈尔滨工程大学 水下机器人技术重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150001；2. 江苏科技大学 海洋装备研究院，江苏 镇江 212003)摘要: 为实现长航程、复杂海洋环境中航向高保持能力，本文提出一种高升阻比、分布式推进的新型大翼展水下无人航行器。
针对设计目标，基于模块化设计思想，采用仿生构型，完成了大翼展推进与滑翔混合驱动航行器的总体设计，给出了浮力调节系统、重心调节系统、滑翔翼翼型与主尺度、推进器选型及布局等核心单元设计。
为提高航行器的生存能力，航行器采用多舱室独立设计及应急抛载单元。
基于有限元软件对航行器中耐压壳体进行强度、与刚度的数值与算与分析，结果表明满足规范要求，满足水下1 000 m工作要求。
本文所提出的分布式滑翔与推进混合驱动滑翔机的设计理念，具有大翼展高升阻比特性，减小滑翔角，满足长航程要求，解决了目前水下航行器航向改变响应速度慢，无法突破导中尺度涡的现象。
关键词：水下机器人；混合驱动；分布式推进；中尺度涡中图分类号：U674.38 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2020)12 – 0029 – 07 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2020.12.006Overall design and performance analysis of large wingspanhybrid drive unmanned underwater vehicleLING Hong-jie1,2, ZHANG Xue-feng1,2, SUN Yu-shan1, WANG Zhi-dong2, ZHANG Bei2(1. Science and Technology on Underwater Vehicle Technology, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China;2. Institute of Marine Equipment, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)Abstract: In order to realize the high heading capacity in the long range and complex marine environment, this paper proposes a new type of large wingspan unmanned underwater vehicle with high lift resistance and distributed propulsion. Aiming at the design goal, based on the modular design idea and adopting the bionic configuration, the overall design of the large-wing propulsion and gliding hybrid-driven aircraft is completed, and the buoyancy regulation system, the center of gravity adjustment system, the gliding wing type and the main scale, and the propulsion are given. Core unit design such as device selection and layout. In order to improve the survivability of the aircraft, the aircraft adopts multi-chamber independ-ent design and emergency throwing unit; based on the finite element software, the numerical value and calculation and ana-lysis of the strength and stiffness of the pressure-resistant casing in the aircraft, the results show that the requirements are met., to meet the underwater 1 000 m working requirements. The design concept of the distributed gliding and propulsion hy-brid drive glider proposed in this paper has the characteristics of large wing extension and high lift-to-drag ratio, reducing the glider angle and meeting the requirements of long range. It solves the problem that the current underwater vehicle change dir-ection is slow and cannot be broken. The phenomenon of guiding mesoscale vortices.Key words: underwater robot；hybrid drive；distributed propulsion；mesoscale vortex0 引 言水下无人航行器是海洋资源开发与探测的主要工具之一。
尺度水下滑翔机的机翼设计与水动力分析
实验尺度水下滑翔机的机翼设计与水动力分析宫宇龙，马 捷，刘雁集，张 凯（上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200030）摘 要：为获取优化的实验尺度水下滑翔机水平机翼外形，基于CFD 方法建立了滑翔机仿真模型。
分析了平板机翼各参数间的关系，结合滑翔机特性，将机翼的表征量简化为安装位置、后掠角、展长、展弦比和根梢比等5个设计参数。
通过对比分析各参数对升阻比的影响，提出了一种适用于实验尺度滑翔机的高升阻比水平机翼。
仿真研究了设计的机翼对滑翔机运动的影响，结果表明，滑翔机各状态变量快速收敛，保证了滑翔机在水池环境中的稳态滑翔时间。
关键词：水下滑翔机，平板翼型，机翼变量，FLUENT 仿真 中图分类号：U674.941 文献标志码：A 【DOI 】Flat Wing Designing and Hydrodynamic Analysis for theLaboratory Underwater GliderGONG Y u-long, MA Jie, LIU Yan-ji, ZHANG Kai(State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China)Abstract: T o get a better wing designing for the laboratory underwater glider , a simulation model was made based on CFD. After the analysis of different parameters of the wing and the characters of glider , the five parameters as position, angle, length of the wing, aspect ratio, root shoot ratio are selected to be compared for the designing. After the comparison, a plat wing with higher lift-drag ratio for the laboratory underwater glider was designed. The experiment with the new plat wing indicated that the new design worked better and guaranteed the stability of the underwater glider .Key words: underwater glider; plat wing design; wing parameters; FLUENT simulation0 引言实验尺度的滑翔机机体较小，可在常规水池内完成稳态滑翔运动，便于研究滑翔机的参数辨识与控制等。
飞翼式混合驱动水下滑翔机水动力与运动特性研究
飞翼式混合驱动水下滑翔机水动力与运动特性研究王金强;王聪;魏英杰;张成举【期刊名称】《兵工学报》【年(卷),期】2018(039)008【摘要】为了提高水下滑翔机的水动力性能和滑翔经济性,提出一种新型飞翼式混合驱动水下滑翔机.为了研究飞翼式混合驱动水下滑翔机的水动力和运动特性,基于计算流体力学Openfoam软件,采用剪切应力传递湍流模型对其在航速为0.5～3.0m/s和攻角、漂角均为0°～21 °工况下流动特性进行分析,并将分析结果与实验结果进行对比;对于运动特性,则基于多体动力学理论,并考虑姿态调节过程中参数变化影响,建立飞翼式混合驱动水下滑翔机运动仿真模型,分别对其推进和滑翔两种典型运动状态进行仿真和外场实验.研究结果表明:仿真结果与外场实验结果具有良好的一致性,验证了仿真方法的准确性,且与传统混合驱动水下滑翔机相比,飞翼式混合驱动水下滑翔机阻力系数随攻角变化速率较大,但随漂角变化速率较小,并具有更优的滑翔经济性和综合水动力性能.【总页数】9页(P1556-1564)【作者】王金强;王聪;魏英杰;张成举【作者单位】哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】P715.5+3【相关文献】1.飞翼式碟形水下滑翔机流动与运动特性分析 [J], 王金强;王聪;魏英杰;张成举2.混合驱动水下滑翔机水动力参数辨识 [J], 牛文栋;王延辉;杨艳鹏;朱亚强;王树新3."海鲟4000"水下滑翔机水动力特性与滑翔性能研究 [J], 刘来连; 闵强利; 张光明4.水下滑翔机高效滑翔水动力性能研究 [J], 李永成;马峥;王小庆5.混合驱动水下滑翔机动力学建模与海试研究 [J], 王树新;刘方;邵帅;王延辉;牛文栋;吴芝亮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
水下滑翔机的设计与控制
水下滑翔机的设计与控制随着科技的不断进步，水下滑翔机作为一种新型的无人遥测平台，逐渐引起人们的关注。
水下滑翔机是一种能够在水下按照预定的轨迹进行运动的自主水下航行器。
与传统人工控制的水下航行器相比，它具有更高的自主性和灵活性，并可以长时间进行水下观测和数据采集。
本文将从水下滑翔机的原理、设计和控制等方面分析其特点和应用前景。
一、水下滑翔机的原理水下滑翔机采用的是“片翼滑翔”原理。
它的原理来源于鲨鱼等一些动物在水中行进时，通过操纵水的流动，实现高效的运动方式。
该原理主要是通过改变机身的上下倾斜角度和前后滑行姿态，使机身在水中下滑、上升和滑翔的运动方式，实现机身的推进和运动。
二、水下滑翔机的设计水下滑翔机主要由机身、动力系统、控制系统和传感器等组成。
其中，机身是水下滑翔机的核心部件，主要负责实现水下滑翔的运动方式。
在机身的前端安装传感器和控制系统，用于实现自主控制和数据采集。
1. 机身设计水下滑翔机的机身通常采用双圆筒形结构，相邻两圆筒间隔装有可伸缩的翼片。
其机身外形与鲨鱼类似，能够通过上下调整、前后滑行等方式实现运动控制。
机身中央部分为电池和控制系统，同时配有浮力块以保持运动的平衡。
2. 动力系统设计水下滑翔机的动力系统主要由电池和电动机组成，具有环保、高耐用、低噪音等特点。
其电池通常采用锂电池，能够支持长时间的运行；电动机则是通过传动链条带动翼片，实现机体在水中的上下移动。
3. 控制系统设计负责水下滑翔机自主控制和姿态的检测。
通常采用导航、GPS、陀螺仪等探测器组成。
能够在水下自主寻址、避障、测量、互动等操作。
其中的导航系统主要是用来判断机身运动的方向和速度；GPS系统用来判断机体的位置和测量深度；陀螺仪则用于测量姿态角和加速度。
4. 传感器设计水下滑翔机的传感器主要包括水温、水压、水流速等探测。
其中的水温、水压能够反映海洋环境的变化；水流速则反映水体中水流的情况。
通过传感器所采集到的数据，可以对海洋环境进行深入了解，并为相关科学研究提供重要支持。
水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析
第31卷第1期2009年1月舰 船 科 学 技 术SH I P SC I E NCE AND TEC HNOLOGY Vo.l 31,No .1Jan.,2009水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析王 冲,刘巨斌,张志宏,顾建农(海军工程大学理学院,湖北武汉430033)摘 要: 通过自编软件,采用结构化网格和有限体积法,对水下滑翔机以不同攻角直航时的流场动力学特征进行了数值计算,得到了水下滑翔机在不同攻角时的速度分布和压力分布。
分析了升力系数、阻力系数和力矩系数随攻角的变化规律,提出了有效控制滑行姿态的方案;分析了以不同最大攻角滑行时滑行路径和滑行效率,提出了最佳滑行攻角。
关键词: 水下滑翔机;数值模拟;升力系数;阻力系数中图分类号: TP24文献标识码: A文章编号: 1672-7649(2009)01-0134-03DO I :10 3404/j issn 1672-7649 2009 01 029Nu m erical research on dyna m ic characteristic of underwater glider when itruns in longitudinal sectionWANG Chong ,LIU Ju b i n ,Z HANG Zh i hong ,GU Jian nong (School of Science ,N avalU niversity of Engineeri n g ,W uhan 430033,Chi n a)Abst ract : The dyna m ic characteristic of under w ater g lider is calcu lated when it r uns i n long itud i n alsecti o n at d ifferent ang le o f attack in la m inar flo w by structured grid and FVM.The distribution regu l a rity of velocity and pressure at different angle of attack is obta i n ed .The m ethod to control the under w ater glider effective ly when it r uns stra i g h t is g iven by ana lyzing the la w of t h e lift coeffic i e n,t drag coefficient and m o m ent coefficen.t The best ang le o f attack is g i v en by analyzing t h e pathw ay and the effic iency when the under w ater g lider runs at different largest ang le of attack .K ey w ords : under w ater g lider ;num erica l research ;lift coeffic i e n;t drag coeffic i e n t收稿日期:2008-03-24;修回日期:2008-04-22基金项目:海军工程大学科研基金资助项目(HGD JJ 06005)作者简介:王冲(1973-),男,硕士,讲师,主要从事军用目标流体动力学特性的教学与研究。
水下机器人的驱动技术研究与设计
水下机器人的驱动技术研究与设计一、引言水下机器人是一种能够在水下进行各种任务的机器人，包括水下勘探、沉船打捞、海底管线维护等。
随着科技的不断进步，水下机器人的应用越来越广泛。
本文将围绕水下机器人的驱动技术进行研究和设计。
二、水下机器人驱动技术的概述1. 水下机器人的驱动方式水下机器人的驱动方式包括推进器和滑翔机。
推进器的原理是通过电动机驱动螺旋桨或者喷口从而提供推力；滑翔机则是通过机翼的升力和重力之间的平衡来进行控制。
在不同的作业环境下，采用不同的驱动方式可以获得更好的效果。
2. 水下机器人的动力来源水下机器人的动力来源有很多，包括电缆供电、电池供电、燃料电池供电、太阳能供电等。
不同的动力来源有不同的特点和适用范围，需要根据实际需求进行选择。
三、水下机器人驱动技术的研究1. 推进器的优化设计推进器是水下机器人的核心部件之一，其性能的优良与否会直接影响水下机器人的运行效果。
目前，推进器的设计思路已经由传统的桨式推进转变为了喷口式推进和固定翼式推进。
这种变化一方面是由于新型材料的应用，另一方面则是由于在不同运行深度下的水动力特性的影响。
推进器的优化设计可以有效地提高推进效率和机器人的运行稳定性，从而获得更长时间的运行时间。
2. 滑翔机的设计及控制与传统的推进器不同，滑翔机是通过机翼的气动力效应来推进的。
控制滑翔机需要根据水流的速度和方向进行不断的调整，保持其在水下的平衡和稳定。
滑翔机的优化设计可以使其在飞行时更加平稳，并且可以在水下进行更长时间的勘探和探索。
四、水下机器人的驱动技术应用案例1. 油田勘探在海底的油田勘探中，水下机器人可以通过多种方式进行勘探作业，如水下摄像、声学探测、地磁勘探等。
在选取驱动方式和动力来源时需要考虑到运行环境的多样性和复杂性。
2. 海底管线维护海底管线维护是一项非常困难的任务，其需要进行复杂的工作如变焊、切割等。
水下机器人可以通过定位和遥控控制方式进行管道维修，在这种情况下应该选用喷口式推进方式以便更好的实现机器人速度和位置的掌控。
基于混合模型的水下滑翔机最佳升阻比特性
第 ２期
四 川 兵 工 学 报
２ ０ １ ４年 ２月
【 基础理论与应用研究】
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ １ ８ ０ ９ ／ ｓ ｅ ｂ ｇ ｘ ｂ ２ ０ １ ４ ． ０ ２ ． ０ ４ １
基 于 混合 模 型 的水 下海 ， 赵 加 鹏
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｓ ｌ ｏ ｗ．Ｉ ｔ ｓ ｅ ｘ ｔ ｅ ｒ ｎ ａ ｌ ｆ ｌ ｏ ｗ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ａ ｍｉ ｎ ａ ｒ ｌ ｆ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ
ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗｉ ｔ ｈ ｍｕ ｌ ｔ ｉ — ｒ ｅ ｇ ｉ ｏ ｎ ｍｉ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｉ ｓ ｖ ｅ ｒ ｙ ｃ ｌ ｏ ｓ ｅ ｔ ｏ ｔ ｈ ａ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ｄａ ｔ ｅ ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｕ ｎ ｄ ｅ ｗａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ；ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ；ｍｉ ｘ ｔ ｕ ｒ ｅ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ； ＣＦ Ｄ
Ｃｉ ｔ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ： Ｃ ＨＥＮ Ｇａ ｎ ｇ，Ｚ ＨＡＮＧ Ｙｕ ｎ — ｈ ａ ｉ ，Ｚ ＨＡＯ Ｊ ｉ ａ — ｐ ｅ ｎ ｇ ． Ｏ ｐ ｔ ｉ ｍｕ ｍ Ｌ ｉ ｆ ｔ ・ ｄ ｒ ａ ｇ Ｒａ ｔ ｉ ｏ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｕｎ ｄ ｅ ｒ －
Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｍｉ ｘ ｔ ｕｒ ｅ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｓ
ＣＨＥ Ｎ Ｇａ ｎ ｇ ，Ｚ ＨＡＮＧ Ｙｕ ｎ — ｈ ａ ｉ ，Ｚ ＨＡＯ Ｊ ｉ ａ － ｐ ｅ ｎ ｇ
翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析
翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析翼身融合水下滑翔机是一种新型的水下机器人，它结合了飞机的翼和鱼类的身体，可以在水下自由滑动和滑翔。
因其独特的外观和卓越的水动力特性，翼身融合水下滑翔机成为了水下研究领域的重要研究对象。
一、外形设计翼身融合水下滑翔机的外形设计是其性能优良的重要前提。
它的外形需要充分考虑流体的流动特性和水下机器人的运行需求。
具体的设计要点有：1. 翼型设计翼型是翼身融合水下滑翔机的核心设计之一，它的形状和厚度对水动力性能影响较大。
一般来说，翼型需要具备较好的升力特性，并且在水下滑翔时能够产生足够的升力和稳定性。
目前，研究表明NACA0015翼型是翼身融合水下滑翔机比较优秀的选择，但也可以根据实际需求进行设计。
2. 圆滑的外形翼身融合水下滑翔机的外形应该尽可能的圆滑，以减少水流湍流和阻力。
光滑的外表面还能增强翼身融合水下滑翔机的推进效率，提高其运动稳定性。
3. 融合设计翼身融合是翼身融合水下滑翔机的重要特征之一，最早是借鉴了鱼类的身体结构。
在翼身融合设计中，翼面和身体形成一个平滑的过渡，从而减小水动力拖力，提高运行效率。
这种设计优于传统的摩擦阻力较大的平面翼和圆柱状的机身。
二、水动力特性翼身融合水下滑翔机的水动力特性是其性能的一个关键因素，直接影响其运动的稳定性和效率。
在设计翼身融合水下滑翔机时，需要考虑以下几个方面：1. 升力和阻力升力和阻力是翼身融合水下滑翔机的关键水动力特性，它们直接影响翼身融合水下滑翔机的滑行和滑翔能力。
通过改变机身的翼型、融合和截面等参数，可以达到改变升力和阻力的目的。
2. 稳定性和灵敏度稳定性和灵敏度是翼身融合水下滑翔机的另外两个关键水动力特性。
稳定性是指翼身融合水下滑翔机的倾向于保持一定的方向和姿态，而灵敏度是指翼身融合水下滑翔机对于外界的变化的反应速度。
这些特性也可以通过调整翼身结构和相关参数来实现。
3. 操纵性操纵性是指翼身融合水下滑翔机的人类操纵时的反应以及机器人自动控制时的定向变化速度。
水下滑翔机水动力外形优化配置
水下滑翔机水动力外形优化配置赵远辉;李宝仁;高磊【摘要】水下滑翔机升阻比是决定其滑翔经济性最关键影响因素,也是水下滑翔机优化设计的重要目标.论证了势流理论与湍流摩擦阻力计算相结合的方法在水下滑翔机水动力特性计算中的可行性,并采用该方法对水下滑翔机在滑翔状态下水平翼对滑翔经济性的影响进行了数值模拟研究.有助于进一步提高水下滑翔机的水动力性能.【期刊名称】《武汉理工大学学报（交通科学与工程版）》【年(卷),期】2016(040)003【总页数】5页(P505-508,513)【关键词】水下滑翔机;升阻比;Hess-Smith面元法;滑翔经济性【作者】赵远辉;李宝仁;高磊【作者单位】华中科技大学机械学院武汉430074;华中科技大学机械学院武汉430074;华中科技大学机械学院武汉430074【正文语种】中文【中图分类】P715.5水下滑翔机是一种无挂推进装置的系统，由净浮力驱动，主要通过沿主轴移动重物块调整自身重力与浮心间的相对位置改变俯仰姿态，实现水下滑翔机在垂直剖面内的锯齿状滑翔运动，可以实时获取水文监测数据.水下滑翔机的使用节省了监测成本、扩展了监测范围，成为海洋环境观测和海洋资源勘探的重要平台.水下滑翔机的续航时间和航程是评估滑翔机的总体性能优良的重要依据.水下滑翔机在配备高能电池外，应尽量提高其航行效率，以使得滑翔机在携带同样电量的情况下具有更长的续航能力和更大的航程.目前，研制相对成熟并且相继投入科研任务的水下滑翔机主要有3种：Webb公司的Slocum、华盛顿大学的Seaglider，以及Scripps海洋研究所的Spray[1].这3类水下滑翔机壳体形状都属于细长回转体，这种设计可以保证一定装载量同时减小航行阻力，提高航行效率.国外学者首先针对航行效率提出了滑翔经济性的概念[2].该值大小与水下滑翔机升阻比相关.升阻比越大，水下滑翔机的滑翔效率越高，航行相同水平距离能耗越小.美国近期研制的新型大升阻比水下滑翔机“XRay”，“ZRay”可以以接近5°滑翔角滑翔，升阻比高达35，与传统水下滑翔机相比，航行效率提升了数十倍[3].水下滑翔机水动力外形主要包括主体和附体2部分，且主体和附体的外形直接决定了其水动力特性.优化水动力外形是提升滑翔效率的直接手段.载体外形优化设计的原则为：在满足有效空间的前提下，应尽量降低载体水阻力，提高升阻比.本文采用势流理论的方法，计算出有攻角情况下主体和水平翼的外流场分布特性，并与有限元仿真结果比较，验证了方法的可行性.后在保持水下滑翔机壳体外形尺寸不变的情况下，通过改变水平翼的弦长、展长要素，得到不同翼与壳体组合下的水动力变化趋势.计算的结果为水下滑翔机的外形水动力性能设计提供参考.水下滑翔机的计算模型见图1.水下滑翔机载体由主体、水平翼和固定尾鳍构成，图中的坐标原点位于水下滑翔机壳体头部端点.滑翔机主体外壳直径为0.24 m，长细比为10，头部尾部曲线段均由双参数椭圆方程确定[4]，方程中，椭圆指数影响较大，涉及主体阻力、主体丰满度以及湿表面积等参数，需通过相关优化算法计算得到[5].曲线段轴向长度为0.4 m，中间段为1.6 m长的平行中体.具体的主体轮廓参考下述方程给出.头部曲线段的物理线型方程：中间圆柱段的物理线型方程：尾部曲线段的物理线型方程：上式为归一化处理后的结果.水平翼对水下滑翔机能否实现滑翔运动起着关键作用，水下滑翔机要求水平翼在滑翔过程中尽量避免在翼表面发生流动分离现象，以减小航行阻力，同时水平翼应具有较大的升阻比，以提高两翼的工作效率.水下对称翼型主要可分为平板翼和曲面翼两种.一般来说，小攻角的滑翔情况下，曲面翼型不易发生流动分离现象，水动力性能优于平板翼型[6].但曲面翼的加工程序难度较大.初步选用NACA0015曲面翼，弦长0.1 m，展弦比10.小攻角滑翔情况下，水下滑翔机的升力主要由水平翼提供.主体产生的升力在小攻角情况下不作考虑[7].升力产生主要是由于在有攻角滑翔时，翼上下表面压强分布不均匀，导致沿着滑翔速度的垂直方向分力存在.因此求解升力，需确定翼表面的压力分布情况.本文采用势流理论中Hess-Smith面元法辅助求解翼表面压力分布. Hess-Smith面元法[8]主要是沿着水下滑翔机壳体与翼轴向进行面元划分，并假设各面元上分布强度未知的源汇和等强度的涡，在该假设下，流场的速度势满足拉氏方程：物面边界条件设定物面法向速度为零：联立式(1)、式(2)得到：根据划分的面元，离散上式求解出水下滑翔机各点处速度势大小，并根据伯努利方程确定各点处压力大小Cpi.Cpi按定义可以表示为：物体升力可以认为是沿着物面各面元法向的压力积分，写成求和形式：式中:pi为i控制点处压力；α为攻角；φi为物面法向与弦长法向间的夹角，化简上式可得利用cos φiΔAi=Δxi;sin φiΔAi=Δyi，式(6)写成根据上述的理论也可以写出有攻角下的翼的压差阻力表达式：简化代入翼的压差阻力：水下滑翔机在水中航行时，雷诺数是判断其所处外流场流动状态的重要指标.雷诺数的定义：式中：v∞为无穷远处的流体运动速度；L为流体特征长度，对于水下航行器，一般取水下滑翔机机身长度；ν=1.065×10-6 m2/s为水的运动粘度.对于外流场判断湍流的标准，一般认为临界雷诺数为5×105[9]，当雷诺数Re<5×105，壳体的外边界层全为层流边界层.当Re>2×106时，则是湍流边界层或者湍流流动占主要的混合边界层.水下滑翔机在水中航行速度一般为1～2 kn，在这种航行速度下(见表1)，水下滑翔机外流场湍流占主要成分.水下滑翔机周围流场为湍流，对于阻力的计算，水下阻力分为摩擦阻力和压差阻力两类，水下滑翔机长细比大且航行速度慢，一般尾部不会出现边界层分离现象，因此压差阻力在总阻力中所占份额较小.当长细比λ=L/D>6时，摩擦阻力所占份额超过总阻力的80%，因此零升阻力是水下滑翔机阻力的主要部分，在水下滑翔机阻力的初步分析计算中，可以忽略阻力增量，只考虑零升阻力.阻力计算中将壳体和翼近似作水中平板处理.分别在1～2 kn来流速度，零攻角情况下，将水下滑翔机壳体与翼表面沿着水平轴划分微段，壳体轴向微段个数为Nx，见图2.xi，yi分别表示第i个微段端点的横纵坐标值.湍流条件下，壳体摩擦阻力系数按国际拖曳水池会议ITTC公式计算[10]，壳体在零攻角时的阻力系数.根据摩擦阻力系数与摩擦阻力之间的关系，壳体零攻角时的阻力为式中：ΩH为主体的湿表面积.翼的阻力计算过程中，计算初期，可以忽略主体对翼周围外流场的影响，按照平板在水中摩擦阻力计算，且根据雷诺数计算得到翼外流场状态为层流，层流情况下摩擦系数为翼的阻力：式中：AF为翼的湿表面积；v∞为来迎流速度.总阻力可以近似认为壳体和翼的阻力之和：为验证上述数值计算的准确性，将水下滑翔机整体建模后导入有限元软件中进行水动力性能仿真计算，表2～3为不同航行速度下阻力及升力的数值计算值与仿真值的对比结果.由表2～3可见，计算结果和仿真结果吻合较好，最大误差为6.24%，验证了数值计算的可靠性.利用上述数值计算方法，在攻角α=6°，航速为2 kn的情况下，保持水下滑翔机壳体外形尺寸不变，通过改变水平翼的弦长、展长要素，组合得到不同配置方案，并针对各方案进行水动力特性计算，计算结果见表4～5.水下滑翔机外形优化配置评判指标从滑翔经济性和最小滑翔角两方面设定，水下滑翔机在滑翔状态时滑翔纵剖面上的受力见图4.水下滑翔机滑翔经济性量化标准根据滑翔经济性定义给出：最小滑翔角由滑翔纵剖面上受力方程推导得出：式中：Pe为单周期滑翔能耗量；u为水平航行速度；w为垂直航行速度；V为航行方向上的迎流速度；L，D，B-G分别为升力，阻力与净浮力；γ，θ，α分别为滑翔角，俯仰角与攻角；R，Δh分别为水平滑翔距离与滑翔深度.通过上式描述关系得出：水平翼对水下滑翔机经济性的影响，可以由水下滑翔机的升阻比来评价，升阻比越大，滑翔效率越高，滑翔经济性越好.需要指出的是，本文分析中，滑翔的经济性仅从水动力角度进行探讨，其他影响因素例如机构能量转换效率等在这里暂不进行讨论.最小滑翔角也由滑翔升阻比直接确定，最小滑翔角决定了指定深度条件下水下滑翔机单周期最远水平滑翔距离，是评估水下滑翔机滑翔性能的重要指标.通过比较不同翼与壳体的组合计算，从表4可以得出随着弦长的增加，展长固定，翼的展弦比减小.水下滑翔机受到升力与阻力均增加，但是阻力增加幅度更大，升阻比呈减小的趋势.相反从表5结果对比看出，弦长固定，展长增大，翼的展弦比增大，水下滑翔机受到的升力与阻力也均增加，此时升力增加幅度较大.升阻比呈上升趋势.改变弦长对升力、阻力的影响比改变展长影响大很多.仅从滑翔经济性考虑，应选取大升阻比配置，但综合安装可靠、布放回收简单等实际因素，最终选用弦长0.1 m、展长1 m的水平翼.根据上节确定的升阻比带入式(15)计算，确定该配置条件下的最小滑翔角达到11.9°.下潜1 km深时，其水平滑翔距离可以达到9.5 km.分析近期回收的海洋试验数据发现：样机在海洋环境稳定，外界干扰较小的情况下，单剖面下潜1 km深度，最远滑翔水平距离达到10 km，与计算值相比误差仅为5%，理论计算与实际吻合较好.本文叙述了应用势流理论中Hess-Smith面元法与湍流摩擦阻力计算相结合的方式求解水下滑翔机在低速湍流下的流场分布特性，通过该方法求解，取得了较好的数值计算结果，得到的压力、速度分布符合其在湍流条件下的分布规律，升力、阻力及其相关系数的数值计算结果与仿真结果相比，基本一致.采用该方法对不同翼与壳体组合下的方案进行水动力性能计算，分析得到给定主体下的最优翼的参数配置.为进一步水动力外形优化设计及配置提供了参考依据.[4]ALVAREZ V, BERTRAM L, GUALDESI. Hull hydrodynamic optimization of autonomous underwater vehicles operating at snorkeling depth[J].Ocean Engineering,2009,36(1):65-71.。
可控翼混合驱动水下滑翔机运动性能研究
变横滚姿态实现转 向运动 Ｊ 。借助浮力驱动方式 ，
水 下滑 翔机 虽然 可 以实 现低 功耗 、 长航 时 、 远航程 ，
但是低机动性、 低航速 限制 了其作业范 围， 比如 ， 水
器， 该滑翔机能够实现高效率滑翔推进和高机动性螺旋桨推进 ２ 种推进方式， 可有效解决现有水下滑
翔机或推进 效率低或机 动性 差的 问题 。 为 了研 究该 滑翔机 的 运动性 能 ， 基于 Ｎ ｅ ｗ ｔ ｏ ｎ — Ｅ ｕ ｌ ｅ ｒ 法建 立 了
六 自由度 运动数 学模 型。通过 求解稳 态滑翔运 动 平衡 方程 ， 定 量分析 了可控 翼 翻转 角对 滑翔机 滑翔 性 能的影响 。根据 六 自由度动 力学模型 ， 对该 滑翔机的 滑翔运 动和螺旋 桨推进 运动进行 了仿 真研 究 ， 仿真 结果表 明可控 翼混合驱动 水下滑翔机相 比常规水 下滑翔机 有较 高的航行 性能 。 关 键 词： 可控 翼 ， 混合驱 动 ， 水下 滑翔机 ， 运 动性 能 ， 动 力 学建模 文 献标 识码 ： Ａ 文 章编 号 ： １ ０ ０ ０ － ２ ７ ５ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ － ０ １ ２ ２ － ０ ７
模式 ， 在该模 式 下 ， 滑翔 机 通过 吸 、 排 水改 变负 浮力 ， 通过 调节 内部 质量 块来 改 变重 心 位 置 ， 并 通 过改 变
水平翼翻转角来实现高效 率滑翔运动 ； 在螺旋桨推 进模式下 ， 水下滑翔机与常规水下航行器类似 ， 借助 螺旋桨推力高速航行 ， 通过调节舵角改变航向。 本文研究的 目的是提出可控翼混合驱动水下滑 翔机的概念 ， 建立一套适合于可控翼混合驱动水下 滑翔机的六 自由度运动数学模 型， 通过理论推导和 运 动仿 真研究 可控 翼偏 转角 对水 下滑翔 机 运动性 能
翼身融合飞翼式水下滑翔机的水动力性能研究
翼身融合飞翼式水下滑翔机的水动力性能研究
熊仲营;刘越尧;雷新桃;樊夏瑞
【期刊名称】《舰船科学技术》
【年(卷),期】2024(46)6
【摘要】本文依据翼身融合式飞行器的设计理念设计一种飞翼式水下滑翔机,及其主要设计参数。
通过计算发现该飞翼式水下滑翔机较传统水下滑翔机拥有更大的升阻比,可达到15以上。
流场分布结果显示飞翼式水下滑翔机在特定速度0.1 m/s、0.3 m/s和0.5 m/s下,机翼周围并未出现明显的流动分离,且机翼表面压力较大程度取决于攻角的大小。
对比了不同雷诺数下的机翼表面涡脱落情况,发现随着攻角增大涡的脱落急剧增多,且翼梢小翼尾部涡脱落最为严重,极大影响滑翔机的水动力特性。
【总页数】8页(P90-97)
【作者】熊仲营;刘越尧;雷新桃;樊夏瑞
【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U674.941
【相关文献】
1.翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析
2.飞翼式混合驱动水下滑翔机水动力与运动特性研究
3.翼身融合水下滑翔机剖面水翼定常吸流主动流动控制数值
研究4.翼身融合水下滑翔机总体设计及性能分析5.基于滑移网格的翼身融合水下滑翔机水动力性能研究
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水下滑翔机动力学建模及PID控制
水下滑翔机动力学建模及PID控制随着人们对海洋资源的日益渴求，水下探测技术的发展成为了一种重要的技术手段。
水下滑翔机作为一种水下探测设备，具有探测范围大、时间长、能耗低等优势，但其控制难度大、自稳性差等问题也需要得到解决。
本文将结合水下滑翔机的运动学建模，对其动力学建模及PID控制进行探讨。
一、水下滑翔机运动学建模水下滑翔机本质上是一种受力平衡的物体，它的运动学模型可以通过欧拉-拉格朗日方程建模描述。
其中，当水下滑翔机沿着水平方向前进时，其位置坐标可表示为：X = [x, y, z]T其中，x、y、z分别表示水下滑翔机在X、Y、Z轴方向上的位置坐标。
水下滑翔机在水平方向的运动速率可表示为：V = [u, v, w]T其中，u、v、w分别表示水下滑翔机在X、Y、Z轴方向上的速度。
滑翔机在水面之下的深度可以表示为：Z = z由于滑翔机受到的杆翼力的作用，故受力方程为：F = - D - L - W其中，F表示所受到的总力，D表示阻力，L表示升力，W表示重力。
根据欧拉-拉格朗日方程，我们可以得出如下的滑翔机运动学模型：[物体质量矩阵][加速度矩阵] = [受力矩阵] - [惯性力矩阵]其中，物体质量矩阵为：M = [m 0 0 0 0 00 m 0 0 0 00 0 m 0 0 00 0 0 Ix 0 00 0 0 0 Iy 00 0 0 0 0 Iz]加速度矩阵为：a = [du/dt dv/dt dw/dt domega_x/dt domega_y/dt domega_z/dt]T 受力矩阵为：F = [U V W L M N]T其中，U、V、W分别为水下滑翔机在uvw坐标系下的速度，L、M、N分别表示滑翔机的滚转、俯仰和偏航力矩。
惯性力矩阵为：G = [0 0 0 0 -mw mv0 0 0 mw 0 mu0 0 0 -mu -mv 0]二、PID控制PID控制是一种基于比例、积分、微分优化的传统控制方法。
混合驱动水下航行器水平推进模式水动力特性
优势的同时 ， 在Ａ Ｕ Ｖ运行模式下 ， 航行 阻力将增 大约 ３ ０ ％， 航行机动性降低约 １ ５～ ２ ５ ％。结果 为混合驱 动水 下航行器 的外
形设计提供了依据 。 关键词 ： 混合驱动水下航行器 ； 自治式水下航行器 ； 水下滑翔机 ； 计算流体力学 ； 水动力
中图分类号 ： Ｔ Ｐ ２ ４ ２ 文献标识码 ： Ｂ
ＡＵＧ ｍｏ ｄ ｅ ．Ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｕ ｉ ｓ ｈ ｅ ｄ ｆ ｅ ａ ｔ ｕ ｒ ｅ ｓ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｄ，ｌ ｏ ｎ ｇ ｃ ｕｉ ｒ ｓ ｉ ｎ ｇ ｒ ａ ｎ ｇ ｅ ，ａ ｎ ｄ ｇ ｏ ｏ ｄ ｍａ ｎ ｅ ｕ ｖ ｅ ｒ ａ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ． Ｍａ ｎ ｅ ｕ —
ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｆ ｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｉ ｔ ｃ ａ ｎ ａ ｕ ｔ ｏ ｎ ｏ ｍ ｏ ｕ ｓ ｌ ｙ ｃ ｕｉ ｒ ｓ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ Ａ Ｕ Ｖ ｍ ｏ ｄ ｅ ａ ｎ ｄ ｆ ｏ ｌ ｌ ｏ ｗ ｓ ａ ｗ ｔ ｏ ｏ ｔ ｈ ｔ ｒ ａ ｊ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ｙ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ
第３ ０ 卷 第３ 期
文章编号 ： １ ０ ０ ６ — ９ ３ ４ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ — ０ ３ １ １ 一 ｏ ４
计
算
机
仿
真
２ ０ １ ３ 年模 式 水 动 力 特性
吴 秋 云 ， 刘 方
（ １ ．中海油服物探事业部 ， 天津 ３ ０ ０ ４ ５ １ ； ２ ． 天津大学机械工程学院 ， 天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ） 摘要 ： 关于水下航行器结构设计优化问题 ， 混合驱动水下航行器 （ ＨＵ Ｇ） 是 一种新 型水下航行 器 ， 实现 了 自治式 水下航行器 （ Ａ Ｕ Ｖ） 与水下滑翔机 （ Ａ Ｕ Ｇ） 结构 和功能 的集成 ， 具有航速 大、 航程长 、 机 动性好 等特点 。混 合驱动水 下航行器 所受水阻力 与机动性是其水平推进模式 （ Ａ Ｕ Ｖ模式 ） 下 的重要性能指标 。针对 混合驱动水 下航行器 的要求与结 构特点 ， 采 用计算流 体 力学方法 ， 分析了航行器在 Ａ Ｕ Ｖ模式下 的航行水 阻力 和机 动性 。研究表 明， 混合驱 动水下航行器在 集成 Ａ Ｕ Ｖ与 Ａ Ｕ Ｇ功 能
水下滑翔蛇形机器人滑翔状态水动力参数计算及外形优化
０ 引 言
近些年来ꎬ随着我国对深海探测、海上作业、侦 察等方面的重视ꎬ水下机器人的研究具有重要的意 义ꎮ 水下滑翔机具有长航时、噪音小、维护简单等特 点ꎬ逐渐成为水下机器人的热点研究方向之一ꎮ 水 下滑翔机通过调节自身的净浮力ꎬ以及机翼产生的 水平方向分力ꎬ实现滑翔机的上浮和下潜运动ꎮ 国 外具有代表性的水下滑翔机包括 Ｓｌｏｃｕｍ 滑翔机[１] 、 Ｓｅａｇｌｉｄｅｒ 滑翔机[２] 、Ｓｐｒａｙ 滑翔机[３] 等ꎬ国内比较典 型的水下滑翔机包括中科院沈阳自动化研究所的海 翼号水下滑翔机和天津大学的海燕号水下滑翔机 等ꎮ 由于水下滑翔机受到自身结构的限制ꎬ导致其 速度较慢、机动性较差、运动方式单一ꎮ 而对于水下 蛇形机器人的研究ꎬ具有代表性的机器人包括 Ｅｅ￣ ｌｕｍｅ[４] 以及水陆两栖的蛇形机器人 ＡＣＭ￣Ｒ５[５] 、探 查者 ＩＩＩ[６] 等ꎬ它们通过蛇形步态产生水动力实现运
① 国家重点研发计划(２０１７ＴＦＢ１３００１０３) 和国防科技创新特区资助项目ꎮ ② 男ꎬ１９９５ 年生ꎬ硕士ꎻ研究方向:水动力仿真ꎬ张拉整体机器人ꎻＥ￣ｍａｉｌ: ｚｈａｏｋａｉｋａｉ＠ ｓｉａ. ｃｎ ③ 通信作者ꎬＥ￣ｍａｉｌ: ｃｈａｎｇｊｉａｎ＠ ｓｉａ. ｃｎ
( 收稿日期:２０１８￣１１￣０６)
图 ２ 所示ꎮ 假设其体坐标系原点在其质心处ꎬｘ 轴 沿着机身轴线ꎬ指向头部为正ꎮ ｚ 轴垂直于纸面ꎬ向 外为正ꎬ采用右手坐标系ꎮ 可知机器人受到阻力 Ｄ、 升力 Ｌ 以及纵倾力矩 Ｍꎮ 其中 θ 是俯仰角ꎬ α 为攻 角( 在这里定义:下潜时ꎬ攻角为正ꎻ上升时ꎬ攻角为 负) ꎮ
１ 水下滑翔蛇形机器人
赵凯凯②∗∗∗∗∗∗ 李 斌∗∗∗ 张国伟∗∗∗ 常 健③∗∗∗
( ∗ 中国科学院１６) ( ∗∗ 中国科学院机器人与智能制造创新研究院 沈阳 １１００１６) ( ∗∗∗ 中国科学院大学 北京 １０００４９)
双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究
双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究刘 健 1, 周广礼 2, 彭嘉澍 1, 朱 猛 1, 李国庆 1, 余祖耀 1*(1. 华中科技大学 船舶与海洋工程学院, 湖北 武汉, 430074; 2. 海军研究院, 北京, 100161)摘 要: 混合驱动水下滑翔机虽兼具典型水下滑翔机及传统航行器的优点, 但存在能耗高、不利回收等缺点,且在快速推进模式下, 滑翔翼的存在不仅会增加航行阻力, 降低航行稳定性, 也不利于滑翔机回收布放。
针对此, 提出一种双壳体混合驱动水下滑翔机, 其滑翔翼与传统固定水平翼不同之处在于滑翔机可根据实际需求进行收放, 以实现对能源的合理分配, 从而提高水下滑翔机的综合航行性能。
此外, 详细介绍了该滑翔机的工作模式、系统组成以及滑翔翼收放原理, 并设计了一种蜗轮蜗杆滑翔翼收放装置, 建立相应的收放机构技术方案, 在此基础上通过数值仿真方法进行了滑翔翼水动力性能分析, 得到了合理的机载配置方案。
关键词: 水下滑翔机; 双壳体; 混合驱动; 滑翔装置; 水动力性能中图分类号: TJ630; U674.941 文献标识码: A 文章编号: 2096-3920(2024)01-0025-07DOI: 10.11993/j.issn.2096-3920.2023-0150Research on Structural Principle and Hydrodynamic Performance of Double-Hull Hybrid Powered Underwater GliderLIU Jian1, ZHOU Guangli2, PENG Jiashu1, ZHU Meng1, LI Guoqing1, YU Zuyao1*(1. School of Naval Architecture & Ocean Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Naval Research Academy, Beijing 100161, China)Abstract: Although the hybrid powered underwater glider has the advantages of both typical underwater gliders and traditional vehicles, it also has disadvantages such as high energy consumption and inconvenient recovery. In the rapid propulsion mode, the existence of wings not only increases navigation resistance and reduces navigation stability but also is not conducive to the recovery and deployment of gliders. In view of this, a dual-hull hybrid powered underwater glider was proposed. The wings of the glider can be retracted according to the actual needs, which is different from the traditional fixed horizontal wing, so as to realize the reasonable distribution of energy and improve the comprehensive navigation performance of underwater gliders. In addition, the working mode, system composition, and wing retracting principle of the glider were introduced in detail, and a worm gear and worm glide wings retracting device was designed. The corresponding retracting mechanism was established. On this basis, the hydrodynamic performance of the wings was analyzed by numerical simulation method, and a reasonable shipborne configuration scheme was obtained.Keywords: underwater glider; double-hull; hybrid powered; gliding wing; hydrodynamic performance收稿日期: 2023-11-28; 修回日期: 2024-01-04.作者简介: 刘 健(1996-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为仿真计算、结构分析等.* 通信作者简介: 余祖耀(1972-), 男, 副教授, 博士, 主要研究方向为液压控制及结构分析.第 32 卷第 1 期水下无人系统学报Vol.32 N o.1 2024 年 2 月JOURNAL OF UNMANNED UNDERSEA SYSTEMS Feb. 2024[引用格式] 刘健, 周广礼, 彭嘉澍, 等. 双壳体混合驱动水下滑翔机结构原理及水动力性能研究[J]. 水下无人系统学报, 2024, 32(1): 25-31.0 引言水下滑翔机作为一种依靠浮力驱动的新型水下航行器[1]可主动调整自身净浮力与姿态角实现“锯齿形”轨迹运动。
混合驱动水下滑翔器滑翔效率及优化研究
混合驱动水下滑翔器滑翔效率及优化研究肖冬林;张华;李迎华;赵桥生【摘要】续航力与水平速度均是水下滑翔器的重要性能指标.文章以单位重量滑翔器、单位水平速度所耗功率作为滑翔效率的评价指标,给出了混合驱动水下滑翔器滑翔参数最优解寻求的数学方法.文中以一典型滑翔器为例,针对其多种工况(无桨、桨不转、桨随动和桨工作),利用CFD预报了所需的流体动力系数,然后分别给出了它们最优的滑翔参数.研究结果表明,该评价指标物理意义明确,优化方法简单,对工程设计具有很高的参考价值.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2018(022)008【总页数】8页(P977-984)【关键词】混合驱动水下滑翔器;桨转动;滑翔效率;续航力【作者】肖冬林;张华;李迎华;赵桥生【作者单位】中国船舶科学研究中心, 江苏无锡 214082;中国船舶科学研究中心, 江苏无锡 214082;中国船舶科学研究中心, 江苏无锡 214082;中国船舶科学研究中心, 江苏无锡 214082【正文语种】中文【中图分类】U674.9410 引言水下滑翔器是一种通过剩余浮力做功提供前进动力，通过内部滑块移动进行姿态调节从而实现垂直面内锯齿形运动的新型无人水下航行器。
它有着工作时间长、工作范围广、能耗低、噪音低等诸多优点，在海洋环境监测、水下探测、通信等领域有着重要的应用[1]。
同时，常规浮力驱动水下滑翔器也有着航速低、机动性差的缺点，不利于障碍物规避及在狭窄、浅水及强海流水域航行。
混合驱动水下滑翔器结合了AUV和水下滑翔器的优点：在动力推进模式下，有着较好的机动性；在滑翔模式下，有着较高的续航能力，能够执行更为复杂的水下探测作业任务。
续航力是水下滑翔器的重要性能指标，为了提高水下滑翔器的航程，需要降低能耗，提高滑翔效率。
滑翔器的滑翔效率与水动力外形、滑翔姿态、剩余浮力大小、搭载仪器功耗等诸多因素有关。
文献[2]研究了不同类型滑翔器运动状态、剩余浮力大小等对滑翔器滑翔效率的影响。
水下滑翔机工作原理
水下滑翔机工作原理水下滑翔机是一种利用自然浮力和机械推进相结合的水下机器人，主要用于海洋科学研究、海洋环境监测等领域。
它可以在深海中快速、高效地进行数据采集和传输，具有极高的实用价值和应用潜力。
本文将介绍水下滑翔机的工作原理，包括推进、控制、数据采集等方面。
一、水下滑翔机的基本结构水下滑翔机主要由机身、推进系统、控制系统和传感器系统等组成。
机身通常由轻质材料制成，具有良好的自然浮力。
推进系统包括水流推进器和转向舵，用来控制滑翔机的前进方向和速度。
控制系统主要包括电脑控制系统和通讯系统，用来控制滑翔机的运动轨迹和实现数据采集、传输等功能。
传感器系统则包括多种传感器，如水温传感器、盐度传感器、压力传感器等，在海洋环境中采集数据。
二、水下滑翔机的推进系统水下滑翔机的推进系统采用水流推进器，利用水的流动动力为滑翔机提供推动力，实现前进功能。
水流推进器主要由一个反转桨和一个螺旋桨构成，其中反转桨用来控制滑翔机的上下运动，而螺旋桨则用来提供前进推力。
水下滑翔机的推进方式与普通的潜艇或遥控水下机器人等有所不同。
普通的水下机器人通过螺旋桨等机械设备提供推进力，需要消耗大量的电能或燃料，同时也容易发出噪声，影响其在海洋环境中的应用。
而水下滑翔机采用水流推进器，不需要燃料或电能，直接利用海水流动动能，减少了能源消耗和噪声污染，提高了其工作效率和环境适应性。
水下滑翔机的控制系统主要由电脑控制系统和通讯系统两大部分组成。
电脑控制系统通过实时计算水流推进器的推力和转向舵的角度，控制滑翔机的运动方向和速度。
通讯系统则负责滑翔机与地面或其他水下设备之间的数据传输和接收。
这一过程通常采用声波通讯技术，将数据通过声波信号发送到地面接收设备进行解码和处理。
在水下滑翔机的运行过程中，控制系统可以实时接收传感器系统采集的各种数据，并根据需要进行分析或处理。
随着海洋科学研究和海洋环境监测需求的不断增加，现代水下滑翔机的传感器系统也越来越多元化和智能化。
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第４ ３卷
第 １ 期
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报
Ｖｏ ．３ ＮＯ １ １ ４ ．
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２ｌ ０ ０年 １ 月
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时， 具有最大的升 阻比． 究为混合驱动 水下滑翔 器的设计提供 了理论指导和参考． 研 关键词 ：混合骄动水下滑翔 器 ；计‘ 流体 力学 ；滑翔经济性 ；稳定性 ；水动力学 算
中 图分 类号 ：Ｔ ３ ．； Ｐ ４ ｖｌ １ Ｔ ２ ２ ２ 文 献 标 志 码 ：Ａ 文 章 编 号 ：０ ９ —１ ７２ １） １０ ８ —６ ４ ３２ ３ （０ ０ ０ —０ ４０
武建 国，陈津 ３ ０７ ） ００２ 摘 要 ：将 水下滑翔 器和 水下 自航行 器两者功能 集合 于一 身， 出了一种新概念混合驱动 水下滑翔 器． 用计 算流体 提 采
力 学 方 法 对 混合 驱 动 水 下 滑翔 器 滑翔 状 态 下机 翼 对 滑翔 经 济性 和 稳 定性 的影 响 进 行 了数 值 模 拟 研 究 ａ Ｅ交试 验 表 明 ， 其 滑翔 经济 性 受 机 翼 弦 长 影 响 最 为 显 著 ； 滑翔 器 的稳 定 性 受 机 翼 的 后 掠 角 影 响 最 为 显 著 ； ４个 具 体 模 型 在 ０ － ０ 对 。 ２。 攻 角的 进 一 步 的数 值 模 拟 表 明 ， 翼 的 位 置 主 要 影 响 滑 翔 稳 定 性 ， 滑翔 经 济性 影 响较 小 ． 翔 器 在 ６左 右攻 角航 行 机 对 滑 。
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