水下滑翔机系统设计与优化
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。
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。
滑翔机设计中的气动特性分析与优化
滑翔机设计中的气动特性分析与优化在滑翔机的设计过程中，了解和分析气动特性是至关重要的。
通过对滑翔机的气动特性进行详细的研究和优化，可以提升其飞行性能和效率。
本文将对滑翔机设计中的气动特性进行分析，并探讨优化的方法。
一、滑翔机的气动力学基础在理解滑翔机的气动特性之前，有必要先了解滑翔机的气动力学基础。
滑翔机的飞行原理是借助来自气流的升力来支持其飞行，同时通过阻力来抵消它的重量。
这种飞行方式需要滑翔机在空气中保持稳定的姿态和飞行轨迹。
二、滑翔机的气动特性分析1. 升力和阻力分析在滑翔机的设计过程中，准确地预测和分析升力和阻力是非常重要的。
升力是滑翔机支持其飞行的关键力量，而阻力则会减缓滑翔机的速度。
因此，滑翔机的设计应该在最大化升力的同时，尽量减小阻力。
2. 滑翔比和滑翔范围滑翔比和滑翔范围是评估滑翔机性能的重要指标。
滑翔比是指滑翔机在垂直高度单位下所能飞行的水平距离。
滑翔比越高，滑翔机的性能越好。
而滑翔范围是指滑翔机在给定高度上所能飞行的最远距离。
3. 操纵性和稳定性除了升力和阻力之外，滑翔机的操纵性和稳定性也是非常重要的气动特性。
操纵性是指滑翔机在飞行过程中的灵活性和可控性。
稳定性则是指滑翔机在各种外界扰动下保持平衡和稳定的能力。
三、滑翔机气动特性的优化方法1. 翼型优化翼型是影响滑翔机气动特性的关键因素之一。
通过优化翼型的设计，可以提高滑翔机的气动性能。
常用的优化方法包括改变翼型的几何形状、改进气动外形线、增加翼型的升力和减小阻力。
2. 翼展和翼面积优化翼展和翼面积也是滑翔机气动特性的重要参数。
通过调整翼展和翼面积的大小，可以优化滑翔机的升力和阻力性能。
较大的翼展可以增加升力，而较小的翼面积可以减小阻力。
3. 翼展和机身的配比优化在滑翔机设计中，翼展和机身的配比也需要进行优化。
通过调整翼展和机身长度的比例，可以提高滑翔机的气动效率。
较大的翼展和较小的机身长度可以减小阻力，并提高滑翔机的操纵性和稳定性。
水下滑翔机外形设计与运动仿真
ｓ ｓｗｉ ｈ ｃ ｅ ｎ ｆ ｉ ｌｃ ｍｅ ｔｏ ｓ ｅ ｔｒ ｔ ｅ￣ｔ ｕ ｅ ａ ｇｅ ｉ ｃ ｅ ｓ ｓｗｉ ｈ ｃｅ ｎ ｆ ｉ ｌｃ ｍｅ ｔ ｅ ｔ ｔ ｅ ｉ ｒ ｍｅ ｔ ｓ ａ ｅ ｎ ｆｍａ ｓｃ ｎ ｅ ， ｈ ｈ ｎ ｏｄ ｐ ｉ ｄ ｎ ｌ ｎ ｒ ａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｉ ｒｍｅ ｔ ｓ ａ ｅ ｎ ｔ ｈ ｎ ｏｄ ｐ ｏ ｓ ｅ ｔ ｒ ｈ ｍｐ ｃ ｆ ｅ ｕ ｙ ｎ ｙ ｏ ｔ ｃ ｎ ｌ ｎ ｔ ｔ ｄ ｎ ｌ ｓ ｓ ｌ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｖ ｌｃｔ ｆ ｈ ｌ ｅ ｆｍａ ｓｃ ｎ ｅ ，ｔ ｅ ｉ ａ ｔｏ ｔｂ ｏ ａ ｃ ｎ ａｔ ｋ ａ ｇｅ ａ ｄ ａｔ ｕ ｅ ａ ｇ ｅ ｉ ｍａ ｌ ｎ ｈ ｅｏ ｉ ｏ ｅ ｇｉ ｒ ｎ ａ ｉ ｙ ｔ ｄ
可见 ， 在水 下滑翔 机研究 方 面 ， 主要体 现在外 形设计 与运 动 仿真方面 。而对某一特定净浮力质量 时 ， 下滑翔机水 平航 水 行距离最大 ， 是水下滑 翔机 运动 的一个 重要 指标 ， 这方 面研
究 比较少 。本文针对水下滑翔机定 常运动过程 中的特点 ， 应
器， 对于海洋环境监测与资源勘探具有重要的应用价值 。
ｎ ｍｉ ａ ａ ｔｒ ｆ ｔ ｅ ｓｅ ｄ ｔｔ ｒ ｄ ｎｉ ｃ ｅ ａ ｃ ｐ ｍｅｅ ｓ ｏ ｈ ｔ ａ ｙ ｓａｅ ｗｅ ｅ ｉ ｅ ｔ ａ ｄ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒ ｌｔ ｎ ｈ ｐ ｂ ｔ ｅ ｎ ｍｏｉ ｎ ｐ ａ ｔ ｒ ｎ ｏ — ｒ ｉ ｆ ｎ ｈ ｅａ ｉ ｓ ｉ ｅｗ ｅ ｔ ａ ｍｅｅ ｓ ａ ｄ ｃ ｎ ｏ ｏ ｒ ｔｏａ ｌ ａ ｉｂ ｅ ｓｓｍｕａｅ ｓ ｇ ＭＡ Ｌ ｏｔ ｒ ．Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｈ ｗ ｔ ａ ｅ ａｔｃ ｎ ｌ ｆ ｈ ｌ ｅ ｅ ｒ ａ ｒｌ ｂ ｅ ｖ ｒ ｌ ｓｗａ ｉ ｌｔ ｄ ｕ ｉ Ｔ ＡＢ ｓ ｆ ａ ｎ ｗａ ｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｓ ｏ ｔ ｈ ｔ ｋ ａ ｇｅ ｏ ｅ ｇｉ ｒｄ ｃ ｅ ・ ｓ ｈ ｔ ａ ｔ ｄ
基于FFD的翼身融合水下滑翔机外形优化设计
２０２０年６月第３８卷第３期西北工业大学学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＪｕｎｅＶｏｌ．３８２０２０Ｎｏ．３ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０５１／ｊｎｗｐｕ／２０２０３８３０４５９收稿日期：２０１９⁃０８⁃３０基金项目：国家自然科学基金（５１８７５４６６，５１８０５４３６）与中国博士点基金（２０１８Ｍ６４３７２６，２０１９Ｔ２０９４１）资助作者简介：李靖璐（１９９６ ），西北工业大学博士研究生，主要从事水下总体设计及优化算法研究㊂基于ＦＦＤ的翼身融合水下滑翔机外形优化设计李靖璐，王鹏，陈旭，董华超（西北工业大学航海学院，陕西西安㊀７１０００２）摘㊀要：水下滑翔机发展至今大体上可以分成２个大类：常规布局外形水下滑翔机与非常规布局水下滑翔机㊂翼身融合水下滑翔机作为一种非常规布局水下滑翔机，因其独特的流体外形布局，具有更好的流体动力特性㊂但设计出具有优秀水动力性能的翼身融合水下滑翔机外形较为困难，因此开展翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究工作具有十分重要的意义㊂开展基于自由变形（ＦＦＤ）的翼身融合水下滑翔机外形优化设计研究，以ＦＦＤ参数化方法为核心，与ＣＦＤ求解器㊁优化算法㊁网格变形方法相耦合，组成了完整的自动外形优化设计框架，并用该框架开展了翼身融合水下滑翔机外形优化设计工作㊂以翼身融合水下滑翔机下沉和上浮一个工作周期的平均阻力系数为目标函数，在考虑体积约束的条件下开展外形优化设计，优化结果表明翼身融合水下滑翔机的滑翔性能得到了明显提升㊂关㊀键㊀词：海洋工程；翼身融合水下滑翔机；自由变形；外形优化设计框架中图分类号：ＴＰ２４２㊀㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀㊀文章编号：１０００⁃２７５８（２０２０）０３⁃０４５９⁃０６㊀㊀作为一种新型水下航行器，水下滑翔机因其航行时间长㊁航行距离远㊁监测范围广的特点成为了探测海洋环境的首选㊂水下滑翔机发展至今，按照其外形可以分为常规布局水下滑翔机和非常规布局水下滑翔机㊂翼身融合水下滑翔机作为一种非常规的水下滑翔机，采用机翼与机体平滑连接的方式，增大了升力面积，减小了表面阻力，因此具有更好的升阻比特性［１］㊂但是这种独特的外形也带来了设计上的困难㊂随着计算流体力学（ＣＦＤ）㊁最优化等学科的发展，基于ＣＦＤ的外形设计在工业上取得了极大进步［２］㊂利用ＣＦＤ开展外形优化设计首要的就是参数化方法㊂现有的参数化方法包括基于ＣＡＤ的参数化㊁ＰＡＲＳＥＣ参数化㊁ＣＳＴ参数化㊁Ｂ样条参数化㊁ＦＦＤ参数化等［３］㊂对于翼身融合水下滑翔机而言，基于ＣＡＤ的参数化方法是将三维设计空间分割为一些二维截面，通过对二维截面的优化，得到优化后的三维几何外形［４］㊂ＰＡＲＳＥＣ参数化㊁ＣＳＴ参数化［５］㊁Ｂ样条参数化等作为成熟的翼型参数化方法，是将翼身融合水下滑翔机分割为几个翼型截面，通过对翼型的优化实现对整机的优化㊂而ＦＦＤ参数化方法通过对控制体的变形来操作所映射外形的变形，很好地保证了所研究外形的光滑性和连续性，且保留了相当好的局部变形能力，适用于复杂的三维外形㊂近年来，越来越多的学者在工程实际中选用这种参数化方法，包括气动外形优化［６］，车辆外形优化［７］等，均取得了较好的效果㊂本文旨在利用ＦＦＤ参数化方法，实现对翼身融合水下滑翔机精细化变形；配合ＣＦＤ求解器，优化算法及网格变形算法，形成一套外形优化设计框架，并对一种翼身融合水下滑翔机开展外形优化设计工作，以提升其水动力性能㊂１㊀外形优化设计框架本文搭建的外形优化设计框架如图１所示［８］，运行过程如下：㊃绘制几何外形初始网格及ＦＦＤ控制体；㊃使用ＦＦＤ参数化方法建立ＦＦＤ控制体与几何目标的映射关系；㊃将网格文件导入ＣＦＤ求解器中求解目标函西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第３８卷数及其梯度；㊃将计算结果传递至ＳＱＰ算法，确定ＦＦＤ控制体的变形量，间接变形几何外形；㊃根据几何表面网格变形更新整个计算域网格；㊃重复迭代输出最优外形；下面主要介绍框架中的ＦＦＤ参数化方法㊁网格变形算法及ＳＱＰ优化算法㊂图１㊀外形优化设计框架１．１㊀ＦＦＤ参数化方法ＦＦＤ参数化方法通过建立ＦＦＤ控制点与目标外形表面点之间的数学映射关系，实现通过控制点的移动变形目标外形的目的，从而实现目标外形的参数化［９］㊂其基本原理如下：首先在ＦＦＤ控制体上添加一个局部坐标系Ｏᶄ⁃ＳＴＵ，任何点Ｘ在这个系统中具有（ｓ，ｔ，ｕ）坐标，所以在全局坐标系Ｏ⁃ＸＹＺ里，任意点Ｘ具有如下形式Ｘ＝Ｘ０＋ｓＳ＋ｔＴ＋ｕＵ（１）式中，Ｘ０为局部坐标系的原点在全局坐标系下的向量表示㊂任意点Ｘ的局部坐标坐标（ｓ，ｔ，ｕ）很容易用线性代数方式表达，写成向量形式为ｓ＝ＴˑＵ㊃（Ｘ－Ｘ０）ＴˑＵ㊃Ｓｔ＝ＳˑＵ㊃（Ｘ－Ｘ０）ＳˑＵ㊃Ｔｕ＝ＳˑＴ㊃（Ｘ－Ｘ０）ＳˑＴ㊃Ｕìîíïïïïïïïï（２）㊀㊀由（２）式可知，Ｘ的局部坐标（ｓ，ｔ，ｕ）应满足０ɤｓ，ｔ，ｕɤ１㊀㊀接下来在ＦＦＤ控制体上建立控制点Ｐｉ，ｊ，ｋ，Ｐｉ，ｊ，ｋ为ＦＦＤ控制体上第（ｉ，ｊ，ｋ）个控制点（ｉ，ｊ，ｋ表示ＦＦＤ控制体上分别沿着坐标轴Ｕ，Ｖ，Ｗ方向上的下标，每个方向被分为ｌ，ｍ，ｎ份）㊂则Ｐｉ，ｊ，ｋ可表示为Ｐｉ，ｊ，ｋ＝Ｘ０＋ｉｌＳ＋ｊｍＴ＋ｋｎＵｉ＝０，１， ，ｌ；ｊ＝０，１， ，ｍ；ｋ＝０，１， ，ｎ（３）㊀㊀故而，ＦＦＤ控制体空间内任一点的笛卡尔坐标Ｘ（ｓ，ｔ，ｕ）可表示为Ｘ＝ðｌｉ＝０ðｍｊ＝０ðｎｋＮｉ，ｐ（ｓ）Ｎｊ，ｑ（ｔ）Ｎｋ，ｒ（ｕ）０ɤｓ，ｔ，ｕɤ１（４）式中，Ｎｉ，ｐ（ｓ），Ｎｊ，ｑ（ｔ），Ｎｋ，ｒ（ｕ）为以ｓ，ｔ，ｕ为变量的ｐ，ｑ，ｒ次基函数㊂在按照（４）式建立了初始模型与ＦＦＤ控制体上控制点的映射关系后，就可以通过改变ＦＦＤ控制体上控制点Ｐｉ，ｊ，ｋ的位置来改变内部几何模型的形状㊂１．２㊀网格变形算法在１．１节中，ＦＦＤ参数化方法建立了控制点与几何外形表面网格节点之间的映射关系，当控制点移动时，表面网格节点也会发生变形，为了对变形后的网格进行ＣＦＤ求解，需要对空间网格更新，这就离不开网格变形㊂网格变形算法发展至今分成３大类：代数法㊁物理模型法和混合方法［１０］㊂其中代数法运算速度快，求解效率高，易于编程实现㊂本文采用的网格变形算法为基于弧长的代数型方法，其基本原理如下Ｘｖ＝Ｆ㊃Ｘｓ（６）式中：Ｘｓ是几何外形表面网格点的位移；Ｘｖ是空间网格节点的位移㊂二者通过弧长的归一化数Ｆ进行求解㊂Ｆ的求解以ｉ方向为例，如（７）式所示㊂ｓ（１，ｊ，ｋ）＝０ｓ（ｉ，ｊ，ｋ）＝㊀ðｉｌ＝２（ｘｌ－ｘｌ－１）２＋（ｙｌ－ｙｌ－１）２＋（ｚｌ－ｚｌ－１）２，㊀㊀㊀ｉ＝２，３， ，ｉｍａｘＦｉ，ｊ，ｋ＝ｓｉ，ｊ，ｋ／ｓｉｍａｘ，ｊ，ｋ（７）㊀㊀这样就可以实现根据几何表面网格节点的位移实现更新空间网格的目的㊂１．３㊀ＳＱＰ优化算法序列二次规划法（ＳＱＰ）是目前公认的求解非线性优化问题的最有效方法之一，其收敛性好㊁计算效率高［１１］㊂ＳＱＰ的算法分为两部分，主迭代和子迭㊃０６４㊃第３期李靖璐，等：基于ＦＦＤ的翼身融合水下滑翔机外形优化设计代㊂主迭代产生一个序列，并求其收敛㊂在主迭代的每步迭代上，新产生一个二次规划子问题，用来指定主迭代的迭代方向，而子迭代本身的求解也是一个迭代过程㊂ＳＱＰ算法迭代如下：①给定初始点ｘ０㊁收敛精度ε㊁令二次导数矩阵Ｈ０＝Ｅ，置ｋ＝０；②在点ｘｋ简化原问题为二次规划问题；③求解二次规划问题，并令Ｓｋ＝Ｓ∗；④在方向Ｓｋ上对原问题目标函数进行一维搜索，得点ｘｋ＋１；⑤判断ｘｋ＋１是否满足给定精度，符合则令ｋ＝ｋ＋１㊁ｆ∗＝ｆ（ｘｋ＋１），输出最优解，终止计算，否则转⑥；⑥修正二次导数矩阵Ｈｋ＋１，令ｋ＝ｋ＋１，转到步骤②继续迭代㊂２㊀外形优化仿真实例２．１㊀前处理利用外形优化设计框架对翼身融合水下滑翔机开展外形优化设计研究㊂初始水下滑翔机由５个ＮＡＣＡ翼型放样得到，如图２所示㊂考虑到数值模拟的计算量及直接优化整机可能造成左右不对称问题，因此选用一半的滑翔机外形进行优化㊂图２㊀翼身融合式水下滑翔机使用ＩＣＥＭ软件绘制结构化网格，计算域为长方体域，大小为２０ｍˑ２０ｍˑ８ｍ，水下滑翔机位于计算域中心㊂设置入口边界条件为速度入口，速度大小为滑翔机航速０．５１４ｍ／ｓ，出口压力设置为０㊂边界层采用Ｏ⁃Ｂｌｏｃｋ来模拟，取ｙ＋值为１，第一层网格为０．０００２ｍ，最终网格数共计９３２４３２㊂数值模拟采用ＲＡＮＳ方程作为控制方程，ｋ⁃ω湍流模型作为封闭方程，计算稳态条件下的滑翔机流体动力参数㊂数值离散采用二阶迎风格式，设置收敛条件为迭代２０００步或残差收敛小于１ˑ１０－６㊂此外，求解器耦合有Ａｄｊｏｉｎｔ方法［１２］，可以快速高效地求得目标函数对设计变量的梯度㊂绘制其外形ＦＦＤ控制体如图３所示㊂控制体共计１２０个控制点，内部嵌有滑翔机表面网格，利用ＦＦＤ参数化实现建立控制点与几何表面网格节点的映射关系㊂图３㊀ＦＦＤ控制体２．２㊀网格无关性分析在开展外形优化设计工作之前，需要对网格无关性进行验证㊂对４种不同大小的网格进行数值仿真，网格量分别为３８５２３５（ｙ＋＝１），４８５９３８（ｙ＋＝１），９３２４３２（ｙ＋＝１），２０５０５８９（ｙ＋＝０．５）㊂分别计算在０，１ʎ，２ʎ３ʎ，４ʎ，５ʎ攻角下的升力因数和阻力因数，计算结果如图４所示㊂结果表明，随着网格量的增加，仿真结果越趋于一致㊂考虑到数值模拟和优化过程的计算量，最终选用９３２４３２的网格㊂图４㊀网格无关性验证２．３㊀优化问题浮力驱动式的水下滑翔机通过重浮心调节，实现水下的周期性㊁锯齿形运动㊂考虑水下滑翔机的㊃１６４㊃西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第３８卷周期性上浮与下沉运动，以３ʎ攻角下沉和－３ʎ攻角上浮，０ʎ侧滑角，１节流速，环境温度２０ħ，海水密度９９８．２ｋｇ／ｍ３，一个标准大气压作为工作条件㊂外形优化设计应满足：㊃一个运动周期内实现总的阻力因数最小㊂具体为：分别计算在３ʎ和－３ʎ攻角下的阻力系数，取其均值为总的阻力因数，即令Ｃｄ，ｔｏｔａｌ＝（Ｃｄ下沉＋Ｃｄ上浮）／２达到最小；㊃体积应约束在合理范围内，确保内部空间足够安装设备及电路㊂具体为优化后外形与初始外形体积比约束在０．９９ １之间，即０．９９ɤＶ／Ｖｂａｓｅɤ１㊂按照以上要求提出外形优化问题：目标函数为最小化一个周期运动的阻力因数㊂设计变量为ＦＦＤ控制点的位移，控制点可以沿ｘ，ｙ，ｚ３个方向运动（命名为ｘ，ｙ，ｚ）㊂约束条件为体积不等式约束㊂完整的外形优化设计问题如表１所示㊂表１㊀优化问题表述描述定义数量目标函数ｍｉｎ（Ｃｄ，ｔｏｔａｌ）１设计变量ｘｙｚ１２０１２０１２０约束０．９９ɤＶ／Ｖｂａｓｅɤ１１２．４㊀优化结果与分析优化迭代收敛曲线如图５所示，共迭代４３次，相比于初始外形，一个运动周期的总阻力系数降低了１６．４５％，同时，最优外形与初始外形的体积比为０．９９７１，满足０．９９ １的体积比约束条件㊂对比优化前后的ＦＦＤ控制体外形如图６所示，其中红色方点为初始控制点位置，绿色圆点为优化后控制点位置㊂在优化过程中，控制点产生位移进行移动，由于控制体和几何外形之间存在的映射关系，初始外形形状产生相应的变形㊂以滑翔机机梢㊁机翼与机体连接处㊁纵向对称面处的３个纵向截面和１个横向对称处截面为例，对比优化前后的外形变形如图７所示，绿色圆点代表优化后截面形状，红色方点代表优化前的截面形状㊂优化后滑翔机后缘机翼与机体连接处附近弦长减少；机翼处的厚度减少，后掠角略微增大；其余位置也进行了调整㊂图５㊀迭代过程图６㊀优化前后ＦＦＤ控制体对比优化前后的相关流体参数如表２所示㊂表２㊀优化前后相关参数参数优化前优化后变化率／％下沉阻力因数０．０２４８７０．０２０９１１５．９５上浮阻力因数０．０２４８７０．０２０６５１７．００总阻力因数０．０２４８７０．０２０７８１６．４５滑翔机下沉和上浮的阻力因数均得到降低，一个周期的总阻力因数大大降低㊂分析阻力因数降低的原因，水下滑翔机的阻力主要为摩擦阻力和压差㊃２６４㊃第３期李靖璐，等：基于ＦＦＤ的翼身融合水下滑翔机外形优化设计阻力，其中摩擦阻力主要与表面积大小有关，压差阻力与外形表面压力分布有关㊂图７ｄ）明显可以看出优化后外形的表面积减少㊂对比优化前后在３ʎ攻角下的压力云图，如图８所示㊂可以看出在保持原有流线平行分布的同时，头部低压区减小，压力分布得到调整㊂图７㊀优化前后截面形状对比图８㊀压力云图３㊀结㊀论本文对一种翼身融合水下滑翔机开展了外形优化设计研究，提出了一套外形优化框架，包括ＦＦＤ参数化方法用于参数化，ＣＦＤ求解器用于数值模拟，网格变形算法用于计算网格更新，ＳＱＰ算法用于优化迭代㊂外形优化设计以最小化一个周期运动的平均阻力系数为目标函数，在保证体积约束的情况下，翼身融合水下滑翔机一个周期的平均阻力系数降低了１６．４５％，同时在下沉与上浮阶段的阻力系数均得到了降低㊂参考文献：［１］㊀ＤＨＡＮＡＫＭＲ，ＸＩＲＯＳＮＩ．ＳｐｒｉｎｇｅｒＨａｎｄｂｏｏｋｏｆＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｍ］．Ｃｈａｍ，Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ：Ｓｐｒｉｎｇｅｒ，２０１６：３０１⁃３２２［２］㊀ＣＡＲＭＩＣＨＡＥＬＲＬ，ＥＲＩＣＫＳＯＮＬＬ．ＰａｎＡｉｒ⁃ａＨｉｇｈｅｒＯｒｄｅｒＰａｎｅｌＭｅｔｈｏｄｆｏｒＰｒｅｄｉｃｔｉｎｇＳｕｂｓｏｎｉｃｏｒＳｕｐｅｒｓｏｎｉｃＬｉｎｅａｒＰｏｔｅｎｔｉａｌＦｌｏｗｓａｂｏｕｔＡｒｂｉｔｒａｒｙＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ［Ｃ］ʊＡＩＡＡ１４ｔｈＦｌｕｉｄ＆ＰｌａｓｍａＤｙｎａｍｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，１９８１［３］㊀王丹．飞行器气动外形优化设计方法研究与应用［Ｄ］．西安：西北工业大学，２０１５ＷＡＮＧＤａｎ．ＡｐｐｒｏａｃｈａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＳｈａｐｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎ［Ｄ］．Ｘｉᶄａｎ：ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙ⁃ｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１５（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］㊀孙春亚．翼身融合水下滑翔机外形设计与运动分析［Ｄ］．西安：西北工业大学，２０１７ＳＵＮＣｈｕｎｙａ．ＳｈａｐｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＭｏｔｉｏｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＢｌｅｎｄｅｄ⁃Ｗｉｎｇ⁃ＢｏｄｙＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＧｌｉｄｅｒ［Ｄ］．Ｘｉᶄａｎ：ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈ⁃ｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１７（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］㊀ＣＨＥＮＧＳＨＡＮＬ，ＰＥＮＧＷ，ＨＵＡＣＨＡＯＤ，ｅｔａｌ．ＡＳｉｍｐｌｉｆｉｅｄＳｈａｐｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＳｔｒａｔｅｇｙｆｏｒＢｌｅｎｄｅｄ⁃Ｗｉｎｇ⁃ＢｏｄｙＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＧｌｉｄｅｒｓ［Ｊ］．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄＭｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，２０１８，５８：２１８９⁃２２０２［６］㊀陈颂，白俊强，史亚云，等．民用客机翼／机身／平尾构型气动外形优化设计方法研究［Ｊ］．航空学报，２０１５，３６（１０）：３１９５⁃３２０７ＣＨＥＮＳｏｎｇ，ＢＡＩＪｕｎｑｉａｎｇ，ＳＨＩＹａｙｕｎ，ｅｔａｌ．ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｏｆＣｉｖｉｌＪｅｔＷｉｎｇ⁃Ｂｏｄｙ⁃ＴａｉｌＣｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＡｃｔａＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｅｔＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａＳｉｎｉｃａ，２０１５，３６（１０）：３１９５⁃３２０７（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［７］㊀汪怡平，王涛，黎帅．基于自由变形技术的汽车气动减阻优化［Ｊ］．机械工程学报，２０１７，５３（９）：１３５⁃１４３㊃３６４㊃㊃４６４㊃西㊀北㊀工㊀业㊀大㊀学㊀学㊀报第３８卷ＷＡＮＧＹｉｐｉｎｇ，ＷＡＮＧＴａｏ，ＬＩＳｈｕａｉ．ＡｅｒｏｄｙｎａｍｉｃＤｒａｇＲｅｄｕｃｔｉｏｎｏｆＶｅｈｉｃｌｅＢａｓｅｄｏｎＦｒｅｅＦｏｒｍＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，５３（９）：１３５⁃１４３（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］㊀ＬＩＪ，ＷＡＮＧＰ，ＤＯＮＧＨ，ｅｔａｌ．ＳｈａｐｅＯｐｔｉｍｉｓａｔｉｏｎｏｆＢｌｅｎｄｅｄ⁃Ｗｉｎｇ⁃ＢｏｄｙＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＧｌｉｄｅｒｓＢａｓｅｄｏｎＦｒｅｅ⁃ＦｏｒｍＤｅｆｏｒｍａ⁃ｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｈｉｐｓａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０２０，１５（３）：２２７⁃２３５［９］㊀ＷＡＮＧＸ，ＳＯＮＧＢ，ＰＥＮＧＷ，ｅｔａｌ．ＨｙｄｒｏｆｏｉｌＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＧｌｉｄｅｒＵｓｉｎｇＦｒｅｅ⁃ＦｏｒｍＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄＳｕｒｒｏｇａｔｅ⁃ＢａｓｅｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆ＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１８，１０（６）：７３０⁃７４０［１０］张来平，邓小刚，张涵信．动网格生成技术及非定常计算方法进展综述［Ｊ］．力学进展，２０１０，４０（４）：４２４⁃４４７ＺＨＡＮＧＬａｉｐｉｎｇ，ＤＥＮＧＸｉａｏｇａｎｇ，ＺＨＡＮＧＨａｎｘｉｎ．ＲｅｖｉｅｗｓｏｆＭｏｖｉｎｇＧｒｉｄＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＭｅｔｈｏｄｓｆｏｒＵｎｓｔｅａｄｙＦｌｏｗ［Ｊ］．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＭｅｃｈａｎｉｃｓ，２０１０，４０（４）：４２４⁃４４７（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１１］ＧＩＬＬＰＥ，ＭＵＲＲＡＹＷ，ＳＡＵＮＤＥＲＳＭＡ．ＳＮＯＰＴ：ａｎＳＱＰＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＬａｒｇｅ⁃ＳｃａｌｅＣｏｎｓｔｒａｉｎｅｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｏｃｉｅｔｙｆｏｒＩｎｄｕｓｔｒｉａｌａｎｄＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，２００５，４７（１）：９９⁃１３１［１２］ＷＵＸ，ＷＡＮＧＰ，ＬＩＪ，ｅｔａｌ．Ａｄｊｏｉｎｔ⁃ＢａｓｅｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｏｒＢｌｅｎｄｅｄ⁃Ｗｉｎｇ⁃ＢｏｄｙＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＧｌｉｄｅｒｓᶄＳｈａｐｅＤｅｓｉｇｎ［Ｃ］ʊＯｃｅａｎｓ⁃ＭＴＳ／ＩＥＥＥＫｏｂｅＴｅｃｈｎｏ⁃ＯｃｅａｎｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１８ＳｈａｐｅＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆＢｌｅｎｄｅｄ⁃Ｗｉｎｇ⁃ＢｏｄｙＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＧｌｉｄｅｒｓＢａｓｅｄｏｎＦｒｅｅ⁃ＦｏｒｍＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＬＩＪｉｎｇｌｕ１，ＷＡＮＧＰｅｎｇ１，ＣＨＥＮＸｕ１，ＤＯＮＧＨｕａｃｈａｏ１（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭａｒｉｎｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉᶄａｎ７１０００２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｕｒｒｅｎｔｌｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｓｃａｎｂｅｒｏｕｇｈｌｙｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｈｅｔｗｏｔｙｐｅｓ：ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａ⁃ｔｉｏｎａｎｄｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ａｓａｔｙｐｅｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｓｗｉｔｈｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，ａｂｌｅｎｄｅｄ⁃ｗｉｎｇ⁃ｂｏｄｙ（ＢＷＢ）ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｈａｓｂｅｔｔｅｒｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｕｎｉｑｕｅｓｈａｐｅ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｉｔｉｓｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｄｅｓｉｇｎｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｔｈｅＢＷＢｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｔｈａｔｈａｓｅｘｃｅｌｌｅｎｔｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｉｔｓｓｈａｐｅ，ｗｈｉｃｈｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｒｅｅ⁃ｆｏｒｍｄｅ⁃ｆｏｒｍａｔｉｏｎ（ＦＦＤ）．ＴｈｅｃｏｍｐｌｅｔｅａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｓｈａｐｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｊｏｉｎｔｌｙｕｓｉｎｇＦＦＤｐａ⁃ｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ＣＦＤｓｏｌｖｅｒ，ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｍｅｓｈｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｆｒａｍｅｗｏｒｋｉｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｓｈａｐｅｏｆａＢＷＢｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ．ＴｈｅａｖｅｒａｇｅｄｒａｇｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｆｔｈｅＢＷＢｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｄｕｒｉｎｇｉｔｓｓｉｎｋｉｎｇａｎｄｆｌｏａｔｉｎｇｉｎｏｎｅｗｏｒｋｉｎｇｐｅｒｉｏｄｉｓｕｓｅｄａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｉｔｓｓｈａｐｅ，ｗｉｔｈｔｈｅｖｏｌｕｍｅｃｏｎｓｔｒａｉｎｔｓｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．ＴｈｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｇｌｉｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅＢＷＢｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｉｓｒｅｍａｒｋａｂｌｙｅｎｈａｎｃｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＢＷＢｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ；ｓｈａｐｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋ；ｆｒｅｅ⁃ｆｏｒｍｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ©２０１９ＪｏｕｒｎａｌｏｆＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ．ＴｈｉｓｉｓａｎＯｐｅｎＡｃｃｅｓｓａｒｔｉｃｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｔｅｒｍｓｏｆｔｈｅＣｒｅａｔｉｖｅＣｏｍｍｏｎｓＡｔｔｒｉｂｕｔｉｏｎＬｉｃｅｎｓｅ（ｈｔｔｐ：／／ｃｒｅａｔｉｖｅｃｏｍｍｏｎｓ．ｏｒｇ／ｌｉｃｅｎｓｅｓ／ｂｙ／４．０），ｗｈｉｃｈｐｅｒｍｉｔｓｕｎｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｕｓｅ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎａｎｙｍｅｄｉｕｍ，ｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｏｒｉｇｉｎａｌｗｏｒｋｉｓｐｒｏｐｅｒｌｙｃｉｔｅｄ．。
新型水下滑翔机原理样机设计
新型水下滑翔机原理样机设计李永成;马峥;江陈;匡俊【摘要】When the latest research achievements of underwater gliders are learnt, the basic working principles of traditional underwater gliders are seized and the preliminary analysis on the hydrodynamics, motions and control of underwater glider is accomplished. Then prototype design is carried out on the basis of the theoretical analysis of the working principles of underwater glider, which is composed of two parts: design of the gravity adjustment system and the design of the water in-and-out control system. The aim of the prototype is to simplify the adjustment and at the same time to reduce the energy consumption, on the premise thatall the design requirements are met.%通过跟踪国际上有关水下滑翔机的最新研究成果，掌握传统水下滑翔机的基本工作原理，并对其水动力、运动特性及控制特性进行初步分析。
在此基础上，以对水下滑翔机工作原理的分析为理论指导进行原理样机的设计，设计内容主要由滑翔机重心调节系统设计和进排水控制系统设计2部分组成。
波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析
㊀㊀文章编号:１００５￣９８６５(２０２０)０２￣００９２￣０９波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析曹守启ꎬ冯江伟(上海海洋大学工程学院ꎬ上海㊀２０１３０６)摘㊀要:为满足对远洋环境进行长时间㊁大范围监测的实际需求ꎬ设计提出一种波浪动力滑翔机ꎬ该设备是一种无需携带能源即可实现自主航行的新型海洋监测平台ꎬ其主体结构由水面母船㊁水下牵引机和柔性缆绳三大部分组成ꎮ平台通过即时获取海洋中的波浪能㊁太阳能㊁风能作为行走的动力源ꎬ克服了传统海洋监测设备在能源供应上存在的短板ꎮ为进一步提升水下牵引机对波浪能的利用率ꎬ采用Ａｎｓｙｓ软件中的Ｆｌｕｅｎｔ模块对水下牵引机进行水动力仿真研究ꎬ分析了侧翼板形状㊁侧翼板工作最大摆动角度以及侧翼板安装分布间距对滑翔机总体行走效率的影响ꎮ结果表明:ＮＡＣＡ翼型侧翼板具有更好的水动力性能ꎻ随着最大摆动角度的增加ꎬ水下牵引机的推进效率先增大后减小ꎬ最大摆角在２０ʎ左右时ꎬ推进效果最佳ꎻ随着侧翼板分布间距的增大ꎬ水下牵引机的推进效率逐渐减小ꎬ分布间距在８０ｍｍ左右时ꎬ推进效果最佳ꎮ关键词:波浪滑翔机ꎻ结构组成ꎻ结构设计ꎻ水动力分析ꎻ性能优化中图分类号:Ｐ７５１ꎻＵ６６２.２㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀ＤＯＩ:１０.１６４８３/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５￣９８６５.２０２０.０２.０１１收稿日期:２０１９￣０５￣１０基金项目:上海市科委２０１７年度 创新行动计划 地方院校能力建设项目 海洋环境监测用电浮标系统关键技术研究及应用示范 资助(１７０５０５０２０００)作者简介:曹守启(１９７３￣)ꎬ男ꎬ山东临沂人ꎬ博士ꎬ教授ꎬ博士生导师ꎬ主要从事海洋物联网工程㊁渔业工程及其自动化等技术研究ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｓｑｃａｏ＠ｓｈｏｕ.ｅｄｕ.ｃｎ通信作者:冯江伟ꎮＥ￣ｍａｉｌ:８０７６２３０２７＠ｑｑ.ｃｏｍＳｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒｆｏｒｗａｖｅｇｌｉｄｅｒＣＡＯＳｈｏｕｑｉꎬＦＥＮＧＪｉａｎｇｗｅｉ(ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＳｈａｎｇｈａｉＯｃｅａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＳｈａｎｇｈａｉ２０１３０６ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍｅｅｔｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｌｏｎｇ￣ｔｅｒｍａｎｄｌａｒｇｅ￣ｓｃａｌｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｔｈｅｏｃｅａｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬａｗａｖｅｐｏｗｅｒｅｄｇｌｉｄｅｒａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｏｃｅａｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｐｌａｔｆｏｒｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄꎬｔｏｒｅａｌｉｚｅａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｎａｖｉｇａｔｉｏｎｗｉｔｈｏｕｔｃａｒｒｙｉｎｇｅｎｅｒｇｙ.Ｉｔｓｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｒｅｅｐａｒｔｓ:ｓｕｒｆａｃｅｍｏｔｈｅｒｓｈｉｐꎬｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒａｎｄｆｌｅｘｉｂｌｅｃａｂｌｅ.Ｔｈｅｐｌａｔｆｏｒｍｏｖｅｒｃｏｍｅｓｔｈｅｓｈｏｒｔｃｏｍｉｎｇｏｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｏｃｅａｎｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｅｎｅｒｇｙｓｕｐｐｌｙｂｙａｃｑｕｉｒｉｎｇｔｈｅｏｃｅａｎｗａｖｅｅｎｅｒｇｙꎬｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙａｎｄｗｉｎｄｅｎｅｒｇｙａｓｔｈｅｐｏｗｅｒｓｏｕｒｃｅｓｆｏｒｗａｌｋｉｎｇ.ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｆｕｒｔｈｅｒｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｒａｔｅｏｆｗａｖｅｅｎｅｒｇｙｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒꎬｆｌｕｅｎｔｍｏｄｕｌｅｉｎＡｎｓｙｓｓｏｆｔｗａｒｅｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｎｄｕｃｔｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒꎬａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｓｈａｐｅｏｆｔｈｅｗｉｎｇｐｌａｔｅꎬｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｗｉｎｇａｎｇｌｅｏｆｔｈｅｗｉｎｇｐｌａｔｅａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｗｉｎｇｐｌａｔｅｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎｏｎｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｗａｌｋｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｇｌｉｄｅｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄ.ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＮＡＣＡａｉｒｆｏｉｌｈａｓｂｅｔｔｅｒｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅꎻｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｍａｘｉｍｕｍｓｗｉｎｇａｎｇｌｅꎬｔｈｅｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｉｎｃｒｅａｓｅｓａｆｔｅｒｔｈｅｆｉｒｓｔｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒｉｓｒｅｄｕｃｅｄꎬａｎｄｔｏｐｒｏｍｏｔｅｍａｘｉｍｕｍｐｅｎｄｕｌｕｍａｎｇｌｅｅｆｆｅｃｔａｔａｂｏｕｔ２０ʎｉｓｔｈｅｂｅｓｔꎻｔｈｅｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｐａｃｉｎｇｏｆｔｈｅｗｉｎｇｓꎬａｎｄｔｈｅｂｅｓｔｐｒｏｐｕｌｓｉｖｅｅｆｆｅｃｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄｗｈｅｎｔｈｅｓｐａｃｉｎｇｉｓａｂｏｕｔ８０ｍｍ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｗａｖｅｇｌｉｄｅｒꎻｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓꎻｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎꎻｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓꎻｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ近年来ꎬ随着世界各国对海洋工程装备不断深入的研究ꎬ波浪滑翔机应运而生ꎮ作为一种新型海洋工程第３８卷第２期２０２０年３月海洋工程ＴＨＥＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ.３８Ｎｏ.２Ｍａｒ.２０２０装备ꎬ它克服了传统海洋作业平台需要自带能源的弊端ꎬ无需额外提供动力源ꎬ仅靠捕获波浪能㊁太阳能及风能等新能源即可实现行走[１]ꎬ具有较高的续航能力和较强的环境适应性ꎬ可用于不同海况的海域进行长时间㊁大范围的监测任务ꎮ目前ꎬ关于波浪滑翔机的研究ꎬ我国涌现出不少专家学者ꎬ并取得了初步成果ꎮ李小涛等人将波浪滑翔机与其它监测设备进行了对比[２]ꎬ研究发现波浪滑翔机具有长时间㊁大范围监测的优势ꎮ田宝强等人研究了波浪滑翔机的运动效率[３]ꎬ论述了水下牵引机的推进原理ꎬ分析和计算了波浪的波高和周期对平台运动效率的影响ꎬ为后续水下牵引机结构的优化分析提供了理论基础ꎮ贾力娟研究了波浪滑翔机的工作机理以及运动情况[４]ꎬ建立起波浪滑翔机的二维动力学模型ꎬ将模型导入软件进行运动仿真研究ꎮ总的来说ꎬ我国针对波浪滑翔机的研究仍处于起步阶段ꎬ关于该设备的结构设计和三维水动力学分析的相关文献较少ꎮ文中考虑水下牵引机主体结构参数对水动力性能的影响ꎬ率先通过ＡＮＳＹＳ软件进行三维数值模拟ꎬ并采用控制变量法对水下牵引机翼型选择㊁侧翼板的最大摆动角度及安装分布间距进行水动力仿真研究ꎬ将水下牵引机的设计参数作进一步的优化ꎬ为同类型波浪滑翔机水下牵引机的设计提供了更加可靠的参考建议ꎮ１㊀波浪动力滑翔机１.１㊀总体结构波浪滑翔机主要由漂浮在水面上的水面母船和浸没在水中的水下牵引机以及位于二者之间用于连接水面母船和水下牵引机的柔性立管缆绳三大部分组成ꎮ水面母船主要用于安装太阳能电池板㊁风力发电装置㊁电控系统以及监测系统中用到的各类传感器㊁水下摄像头和声纳等设备[５]ꎻ水下牵引机由垂直安装的主支撑框架和平行安装的侧翼板组成ꎬ是整个平台行走的主要动力来源ꎻ柔性立管缆绳用于连接水面母船和水下牵引机ꎬ并在其内部安装用于水面母船和水下牵引机通信的电缆ꎮ图１为波浪滑翔机的三维模型:水面母船长２~３ｍꎬ宽０.６~０.８ｍꎻ水下牵引机长２~２.６ｍꎬ高０.３~０.６ｍꎬ侧翼板宽１~１.５ｍꎻ柔性缆绳长６~７ｍꎮ１.２㊀工作原理波浪滑翔机主要依靠捕获波浪能作为动力源进行推进ꎬ同时水面母船上装有太阳能电池板和风力发电装置作为辅助动力源ꎬ并通过转向尾舵进行方向的掌控ꎮ太阳能电池板和风力发电装置捕获的电能储存在蓄电池中ꎬ用于整个平台电力系统的能源供应ꎮ在滑翔机随波浪爬升的过程中ꎬ柔性缆绳处于紧绷状态ꎬ水面母船拖动水下牵引机上移ꎬ此时水下牵引机的侧翼板在水动力的作用下向后下方转动ꎬ从而产生使水下牵引机向前运动的推力ꎻ在滑翔机随波浪回落的过程中ꎬ柔性缆绳处于松弛的状态ꎬ水下牵引机靠其自身的重力下移ꎬ此时水下牵引机的侧翼板在水动力的作用下向后上方转动ꎬ从而也产生使水下牵引机向前运动的推力ꎬ因此ꎬ不论水下牵引机上升还是下移ꎬ其侧翼板受到的水平分力总是向前[６]ꎮ如此反复ꎬ就将滑翔机随波浪的上下起伏运动转化为水下牵引机向前的运动ꎬ从而实现了整个波浪滑翔机的持续向前运动ꎮ其受力情况如图２所示ꎮ图１㊀波浪滑翔机三维模型结构示意Ｆｉｇ.１㊀Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆ３Ｄｍｏｄｅｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｗａｖｅｇｌｉｄｅｒ图２㊀水下牵引机受力分析Ｆｉｇ.２㊀Ｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒ３９第２期曹守启ꎬ等:波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析２㊀水下牵引机的结构设计水下牵引机主要由主体支架㊁六组互相平行安装的侧翼板㊁转向尾舵和万向节吊钩等组成ꎬ其中ꎬ主体支架的结构形状㊁侧翼板结构的重心和浮心位置会直接影响到整个波浪滑翔机波动推进的效率ꎮ因此ꎬ水下牵引机在设计过程中需要着重考虑以下几个关键图３㊀水下牵引机三维模型Ｆｉｇ.３㊀３Ｄｍｏｄｅｌｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒ点[７]:①为了保证水下牵引机在升降运动过程中姿态的稳定性ꎬ吊点㊁浮心㊁重心和水动力中心必须位于同一条竖直线内ꎻ②水下牵引机侧翼板的翼型和尺寸需要与实际海况的水流冲刷作用相适应ꎬ保证较高的前行效率与适当的垂向往复运动频率ꎻ③侧翼板的分布间距和摆动角度应与实际海况相适应ꎬ以保证较高的推进效率ꎮ综合目前波浪滑翔机水下牵引机的外形特征ꎬ利用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三维制图软件对水下牵引机进行建模ꎬ建模结果如３所示ꎬ主要技术参数如表１所示ꎮ表１㊀水下牵引机设计关键参数Ｔａｂ.１㊀Ｋｅｙｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒｄｅｓｉｇｎ技术参数数值技术参数数值水下牵引机总长/ｍ２.２水下牵引机总高/ｍ０.５侧翼板宽度/ｍ１.４６翼展攻角/(ʎ)２０翼展弦长/ｍｍ１６０最大厚度/ｍｍ１０.２３㊀水下牵引机水动力仿真研究３.１㊀理论基础３.１.１㊀基本控制方程在流体仿真计算中ꎬ不管是模拟水下牵引机的定常运动ꎬ还是模拟水下牵引机的非定常运动ꎬ都需要选取恰当的湍流模型ꎮ对水下牵引机进行仿真计算时ꎬ水流流过其流场ꎬ通常状况下将流体看作是不可压缩的液体ꎬ并假设在整个计算过程中没有任何热能交换的发生ꎬ此时则可以采取不可压缩介质的雷诺平均纳维－斯托克斯(ＲｅｙｎｏｌｄＳａｖｅｒａｇｅｄＮａｖｉｅｒ￣ＳｔｏｋｅｓꎬＲＡＮＳ)方程来作为其求解控制方程ꎬ流体在流动过程中满足基本的牛顿力学定律㊁质量守恒定律㊁动量守恒定律和能量守恒定律[８]ꎬ对于黏性的不可压缩牛顿流体建立如下连续方程:∂ｕｉ∂ｘｉ＝０∂ｕｉ∂ｔ＋∂∂ｘｉ(ｕｉｕｊ)＝－１ρ∂Ｐ∂ｘｉ＋ｖ∂∂ｘｉ(∂ｕｉ∂ｘｉ＋∂ｕｊ∂ｘｊ)ìîíïïïïï(１)式中:ｕｉ(ｉ＝１ꎬ２ꎬ３)分别为三个坐标轴方向上的速度分量ꎬｘｉ(ｘ＝１ꎬ２ꎬ３)分别为三个坐标轴方向上的坐标分量ꎬＰ为压力ꎬρ为流体的密度ꎬｖ为流体的运动黏性系数ꎬｔ为时间ꎮ在模拟湍流运动计算时ꎬ方程中的变量是由分解平均量和脉动量构成:φ＝φ＋φ'(２)再对方程左右两侧的时间取平均ꎬ得到不可压缩流体ＲＡＮＳ方程的张量形式:∂ｕｉ∂ｘｉ＝０ρ∂ｕ∂ｔ＋ρ∂∂ｘｊ(ｕｉｕｊ)＝－∂Ｐ∂ｘｊ＋∂Ｐ∂ｘｊ[μ(∂ｕｉ∂ｘｊ＋∂ｕｊ∂ｘｊ－２３δｉｊ∂ｕｉ∂ｘｊ)]＋∂ｕ∂ｘｊ(－ρｕ'ｉｕ'ｊ)ìîíïïïïï(３)４９海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第３８卷式中:ｕｉꎬｕｊꎬＰ为速度和压力的时均量ꎻ－ρｕ'ｉｕ'ｊ为雷诺应力项ꎬ亦称作雷诺应力张量ꎬ它有六个不同的量组成ꎮ－ρｕ'ｉｕ'ｊ＝μｔ(∂ｕｉ∂ｘｉ＋∂ｕｊ∂ｘｉ)－２３(ρｋ＋μｔ∂ｕｉ∂ｘｉ)δｙ(４)式中:ｋ为湍流动能ꎬμｔ为湍流黏度ꎮＢｏｕｓｓｉｎｅｓｑ常常用于湍流模型ꎬ其优点是在计算湍流黏度时所耗费的时间较少ꎮ在ｋ￣ε中使用时ꎬ必须多解一对方程ꎬ分别是与湍流耗散率和湍流动能有关的方程ꎬ求解时将μｔ看成ｋ和ε的函数ꎮＢｏｕｓｓｉｎｅｓｑ黏度有一个很大的缺点:它认为μｔ是一个标量ꎬ在某些情况下使用可能会出现较大的误差ꎮ３.１.２㊀湍流模型一般地ꎬ模拟湍流时有三种常见的方法:大涡模拟法(ＬＥＳ)㊁直接数值模拟法(ＤＮＳ)和平均Ｎ￣Ｓ方程求解法ꎮ在模拟湍流方法的计算中ꎬ通常采用平均Ｎ￣Ｓ方程的方法进行求解[９]ꎬ平均Ｎ￣Ｓ方程求解法用来求解数值模拟中相对较为复杂的一些问题ꎬ其本质是对Ｎ￣Ｓ方程中的时间概念进行平均计算ꎬ然后得到所建立的湍流时间平均运动方程ꎬ即ＲＡＮＳ方程ꎮ由于平均Ｎ￣Ｓ方程的不封闭性通常含有新的未知数变量 雷诺应力ꎬ故湍流模型常用来求解封闭方程组问题ꎮｋ￣ε湍流模型在计算水下牵引机的流体力学计算中用作广泛ꎮｋ￣ε湍流模型的计算类型共有三种ꎬ分别为Ｓｔａｎｄａｒｄ㊁ＲＮＧ和Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅꎮ通常情况下ꎬＲＮＧ计算类型用来求解有涡流存在的一系列较为复杂的问题ꎮ本文所设计的水下牵引机体型较小ꎬ雷诺数较低ꎬ选用ＲＮＧ计算水动力学参数ꎬ计算结果相对准确ꎬ也符合实际问题中的理论值ꎮＲＮＧ计算如下:ρ∂∂ｔ(ｋ)＋ρ∂∂ｘｉ(ｋｕｉ)＝∂∂ｘｊ(αεｕεｊｊ∂ｋ∂ｘｉ)＋Ｇｋ－ρｋ＋Ｓｋ(５)ρ∂∂ｔ(ε)＋ρ∂∂ｘｉ(εｕｉ)＝∂∂ｘｊ(αεｕεｊｊ∂ｋ∂ｘｉ)＋Ｃ１εεｋＧｋ－Ｃ２εε２ｋ－Ｒε＋Ｓε(６)式中:ｕεｊｊ为有效黏度ꎬＳｋ与Ｓε为源项ꎬＧｋ为湍流动能ꎬ计算如下:Ｇｋ＝－ρｕ'ｉｕ'ｊ∂ｕｊ∂ｕｉ(７)ＲＮＧ计算中ꎬ湍流黏度方程为:ｄ(ρ２ｋεμ)＝１.７２ｖ－ｖ－２－１＋Ｃｖｄｖ－(８)当雷诺数变高时ꎬ方程变形如下:μｔ＝ρＣμｋ２ε(９)式中:Ｃμ和Ｃｖ为经验系数ꎮ３.２㊀仿真分析３.２.１㊀计算域设置和网格划分水下牵引机的三维模型建立好后ꎬ需要根据模型的尺寸设置计算域进而进行网格的划分ꎬ设置计算域时一定要保证二者在尺寸上的适应性ꎮ采用长方体的计算域ꎬ在平行于水流流向的方向ꎬ取６倍于水下牵引机的高度为尺寸ꎬ在垂直于水流流向的方向ꎬ分别取３倍于水下牵引机的长度和宽度为尺寸建立计算域ꎬ这样可以基本保证计算的合理性ꎮ网格的划分不仅直接影响计算结果的精度ꎬ而且对计算时间的长短也影响较大ꎬ因此在划分网格时要进行综合考虑ꎬ在满足计算精度的前提下ꎬ尽量将计算时间控制到最短ꎮ在进行网格划分时ꎬ整体采用非结构网格划分ꎬ并进行局部加密处理[１０]ꎬ最终的网格单元总数约为２０６６５５８ꎬ其中全局网格大小为３ｍｍꎬ面网格大小为２０ｍｍꎬｐａｒｔ网格大小为５ｍｍꎬｆｌｕｉｄ网格大小为１０ｍｍꎬ符合计算的基本要求ꎮ网格划分结果如图４所示ꎮ５９第２期曹守启ꎬ等:波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析图４㊀计算域和水下牵引机网格划分结果Ｆｉｇ.４㊀Ｍｅｓｈｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎａｎｄｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔｒａｃｔｏｒ３.２.２㊀边界条件设定水下牵引机在竖直方向的运动状态为随波浪的起伏运动ꎬ文中所有模型的水动力分析均选取柔性缆绳拉动水下牵引机向上运动的过程ꎬ水流方向相对于水下牵引机的方向为竖直向下ꎮ将长方体流域的上边界设置为速度入口(ｖｅｌｏｃｉｔｙ￣ｉｎｌｅｔ)ꎬ下边界设置为压力出口(ｐｒｅｓｓｕｒｅ￣ｏｕｔｌｅｔ)ꎬ四周边界设置为远边界(ｗａｌｌ)ꎮ根据实际对海洋状况的研究ꎬ并结合海况等级表取平均海况为３级海况ꎬ则海面以下６~７ｍ处海水的垂直流速为０.７５ｍ/ｓ左右ꎬ因此仿真计算时取入口处的速度为０.７５ｍ/ｓꎬ迭代计算的步数设为１０００ꎬ以保证模型计算的收敛性ꎮ此外ꎬ取海洋环境条件为:海水温度４ʎＣꎬ海水密度１０２７.７７ｋｇ/ｍ３ꎬ海水运动黏性系数１.６１´１０－６ｍ２/ｓꎮ３.２.３㊀计算模型波浪滑翔机的主要动力来源于水下牵引机水翼的摆动ꎬ六组平行翼板翼型的选择㊁翼板的最大摆动角度以及翼板的安装间距均对波浪滑翔机的行走效率有着较大影响ꎮ因此ꎬ经过将模型简化ꎬ建立了如下三组对比计算模型:１)在其它因素均相同的条件下分别取ＮＡＣＡ００１２翼型和平板翼型进行对比仿真ꎻ２)在其它因素均相同的条件下分别取水翼的最大摆动角度θ为:５ʎ㊁１０ʎ㊁１５ʎ㊁２０ʎ㊁２５ʎ㊁３０ʎ进行对比仿真ꎻ３)在其它因素均相同的条件下分别取水翼的安装间距ｄ为:４０㊁８０㊁１２０㊁１６０㊁２００和２４０ｍｍ进行对比仿真ꎮ３.３㊀仿真结果及分析３.３.１㊀翼型的选择图５㊁图６㊁图７为相同参数设置下ＮＡＣＡ翼型和平板翼型的压力云图㊁流场流线图以及速度矢量图ꎮ图５㊀ＮＡＣＡ翼型和平板翼型压力云Ｆｉｇ.５㊀ＰｒｅｓｓｕｒｅｃｌｏｕｄｄｉａｇｒａｍｏｆＮＡＣＡａｉｒｆｏｉｌａｎｄｆｌａｔａｉｒｆｏｉｌ图６㊀ＮＡＣＡ翼型和平板翼型流场流线Ｆｉｇ.６㊀ＦｌｏｗｆｉｅｌｄｃｕｒｖｅｓｏｆＮＡＣＡａｉｒｆｏｉｌａｎｄｐｌａｔｅａｉｒｆｏｉｌ６９海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第３８卷图７㊀ＮＡＣＡ翼型和平板翼型速度矢量Ｆｉｇ.７㊀ＶｅｌｏｃｉｔｙｖｅｃｔｏｒｏｆＮＡＣＡａｉｒｆｏｉｌａｎｄｆｌａｔａｉｒｆｏｉｌ由分析结果可知ꎬ在相同参数的情况下ꎬＮＡＣＡ翼型的升阻比更大ꎬ即在同等海况的条件下ꎬＮＡＣＡ翼型可获得更大的前向推力ꎮ此外ꎬ平板翼型的侧翼板所受压力区域较为集中ꎬ在承受较大的压力时ꎬ容易引起侧翼板的屈曲ꎬ以至于影响水下牵引机的整体推进效率ꎬ甚至可能引发水下牵引机的失效ꎻ而ＮＡＣＡ形水翼所受的压力区域则较为分散ꎬ同时还有结构强度高ꎬ阻力系数小ꎬ水动力性能好等优点ꎮ尽管ＮＡＣＡ翼板的加工成本远高于平板水翼ꎬ但综合各方面因素ꎬ将水下牵引机侧翼板的形状选为ＮＡＣＡ００１２型侧翼板ꎮ３.３.２㊀最大摆角确定图８为ＮＡＣＡ００１２型侧翼板在相同来流速度㊁相同分布间距㊁相同运动波长等因素下ꎬ只控制最大摆动角度不同时所得到的压力云图ꎬ最大摆动角度θ的取值为:５ʎ㊁１０ʎ㊁１５ʎ㊁２０ʎ㊁２５ʎ㊁３０ʎꎮ其中ꎬ水下牵引机在不同最大摆动角度下的仿真计算结果如表２所示ꎮ表２中各项计算流体力学(ＣＦＤ)参数为通过仿真计算得到的不同最大摆动角度下水下牵引机所受的总阻力㊁前向推力㊁总阻力系数㊁推力系数以及进一步计算求出的升阻比ꎮ为了更加直观地显示总阻力和推力的变化趋势ꎬ将表２数据绘制为图９㊁图１０所示的曲线图ꎮ图８㊀不同最大摆角时压力云图Ｆｉｇ.８㊀Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｌｏｕｄｄｉａｇｒａｍａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｘｉｍｕｍｙａｗａｎｇｌｅｓ７９第２期曹守启ꎬ等:波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析表２㊀不同水翼最大摆角 ＣＦＤ分析结果Ｔａｂ.２㊀Ｍａｘｉｍｕｍｓｗｉｎｇａｎｇｌｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｄｒｏｆｏｉｌｓ ＣＦＤａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓ最大摆角/(ʎ)总阻力Ｄ/Ｎ推力Ｌ/Ｎ总阻力系数推力系数升阻比Ｌ/Ｄ５６０４.７８５５７１.９３８８０.４８８８０.０５８１０.１１８９１０６１２.１４１７１６９.７３２６０.４９４８０.１３７２０.２７７３１５６４３.５９８４２１０.３０８４０.５２０２０.１６７００.３２６８２０６５３.２９６９２９５.４９４５０.５２８１０.２３８８０.４５２３２５７７６.７２７１３０９.１７２８０.６２７８０.２４９９０.３９８０３０８４４.９２６５３１６.１１０４０.６８２９０.２５５５０.３７４１图９㊀不同最大摆角受力曲线Ｆｉｇ.９㊀Ｆｏｒｃｅｃｕｒｖｅｓｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｘｉｍｕｍｙａｗａｎｇｌｅｓ图１０㊀不同最大摆角升阻比Ｆｉｇ.１０㊀Ｌｉｆｔ￣ｄｒａｇｒａｔｉｏｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍａｘｉｍｕｍｙａｗａｎｇｌｅｓ分析以上图表可知ꎬ在来流速度㊁侧翼板分布间距㊁运动波长等因素一定的条件下ꎬ每个水翼所受的推力系数随最大摆动角度的变化规律大致相同ꎬ均为先增大后减小ꎬ由此可见ꎬ侧翼板的最大摆动角度存在一个最佳的数值ꎮ随着最大摆动角度的增大ꎬ推力Ｌ和阻力Ｄ均增大ꎬ只是在最佳数值之前ꎬ推力Ｌ增加的幅度大于阻力Ｄ增加的幅度ꎻ而在最佳数值之后ꎬ阻力Ｄ增加的幅度则大于推力Ｌ增加的幅度ꎬ所以升阻比表现为先增大后减小ꎮ从仿真计算的结果来看ꎬ这一最佳数值位于θ＝２０ʎ附近ꎮ３.３.３㊀最佳安装间距选取图１１为ＮＡＣＡ００１２翼型在最大摆动角度θ＝２０ʎꎬ且设置来流速度㊁运动波长等因素均相同时ꎬ侧翼板在不同水翼分布间距下所得到的压力云图ꎮ安装间距ｄ的取值为:４０㊁８０㊁１２０㊁１６０㊁２００和２４０ｍｍꎮ其中ꎬ水下牵引机在不同安装间距下的仿真计算结果如表３所示ꎮ表３㊀不同水翼分布间距 ＣＦＤ分析结果Ｔａｂ.３㊀Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｄｒｏｆｏｉｌｓｐａｃｉｎｇ ＣＦＤａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓ间距ｄ/ｍｍ总阻力Ｄ/Ｎ推力Ｌ/Ｎ总阻力系数推力系数升阻比Ｌ/Ｄ４０１６５.３９７４８９.２０９２０.１３３７０.０７２１０.５３９４８０２６８.２３６９１２５.０８７６０.２１６８０.１０１１０.４６６３１２０３６８.８９７３１６２.５０２１０.２９８２０.１３１３０.４４０５１６０４９９.３６８９２０３.３８４５０.４０３６０.１６４４０.４０７３２００６３８.１９９７２４５.３１７６０.５１５９０.１９８３０.３８４４２４０８２０.９０６２３０５.０１１１０.６６３５０.２４６５０.３７１６表３中的各项ＣＦＤ参数为通过仿真计算得到的侧翼板在不同分布间距下水下牵引机所受的总阻力㊁前向推力㊁总阻力系数㊁推力系数以及进一步计算求出的升阻比ꎮ为了更加直观地显示总阻力和推力的变化趋势ꎬ将表３绘制为如图１２㊁图１３所示的曲线图ꎮ８９海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第３８卷图１１㊀不同分布间距时压力云图Ｆｉｇ.１１Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｌｏｕｄｄｉａｇｒａｍａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｐａｃｉｎｇｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓ图１２㊀不同水翼分布间距受力曲线Ｆｉｇ.１２㊀Ｓｔｒｅｓｓｃｕｒｖｅｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｄｒｏｆｏｉｌｓｐａｃｉｎｇ图１３㊀不同水翼分布间距升阻比Ｆｉｇ.１３㊀Ｌｉｆｔ￣ｄｒａｇｒａｔｉｏｓｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｙｄｒｏｆｏｉｌｓｐａｃｉｎｇ分析以上图表可知ꎬ在来流速度㊁侧翼板最大摆动角度㊁运动波长等因素一定的条件下ꎬ每个水翼所受的推力系数随分部间距的变化规律大致相同ꎬ都是随分部间距的增大而减小ꎮ由此可见ꎬ适当减小水翼分部间距对提高水下牵引机的总体推进效率是有益的ꎬ因为在不同水翼分布间距下每个水翼产生的首缘涡和尾涡的方向基本相同ꎬ但强度各异ꎬ随水翼分布间距的增大ꎬ首缘涡和尾涡的强度均有所衰减ꎮ水翼分布间距较小时ꎬ前面水翼的尾涡还未完全衰减ꎬ就与后面水翼的首缘涡融合在一起ꎬ如此传递ꎬ使得每个水翼的尾涡均有一定程度的加强ꎬ从而产生较强的前向推力ꎻ而当水翼分布间距较大时ꎬ每个水翼所产生的首缘涡和尾涡衰减程度都较大ꎬ各旋涡之间的相互影响较小ꎬ产生的前向推力也较弱ꎮ当间距过小时ꎬ虽然其侧翼板获取的推力最大ꎬ但压力负载区域过于集中ꎬ水下牵引机的稳定性较差ꎬ从而影响其总体推进效率ꎬ综合考虑ꎬ取水翼分部间距为ｄ＝８０ｍｍ时总体推进效果最佳ꎮ９９第２期曹守启ꎬ等:波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析００１海㊀㊀洋㊀㊀工㊀㊀程第３８卷４㊀结㊀语以波浪滑翔机为研究对象ꎬ设计了该设备关键部件之一的水下牵引机ꎬ并运用Ａｎｓｙｓ软件中的Ｆｌｕｅｎｔ模块对其进行仿真优化ꎬ同时用控制变量法对其结构的多个参数进行对比仿真研究ꎮ得到如下结论:１)ＮＡＣＡ翼型的综合推进效率比平板翼型好ꎬ所设计的水下牵引机宜选用ＮＡＣＡ００１２翼型的侧翼板ꎮ２)在来流速度㊁分布间距㊁运动波长等因素一定的条件下ꎬ水下牵引机的总体推进效率随侧翼板最大摆动角度的增加而增大ꎬ当该角度的增大超过某一特定值时ꎬ水下牵引机的总体推进效率反而开始下降ꎬ而这一特定值位于θ＝２０ʎ附近ꎮ３)在来流速度㊁侧翼板最大摆动角度㊁运动波长等因素一定的条件下ꎬ水下牵引机的总体推进效率随侧翼板分布间距的增大而减小ꎬ但间距过小时ꎬ压力负载区域过于集中ꎬ容易引起水下牵引机的侧翻ꎬ从而降低其总体推进效率ꎬ综合考虑ꎬ取水翼分部间距为ｄ＝８０ｍｍ时推进效果最佳ꎮ参考文献:[１]㊀张成翊ꎬ徐雪松.波浪滑翔机母船与牵引机运动传递关系[Ｊ].上海交通大学学报ꎬ２０１８ꎬ５２(２):１２７￣１３２.(ＺＨＡＮＧＣｈｅｎｇｘｉａｎｇꎬＸＵＸｕｅｓｏｎｇ.Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｍｏｔｈｅｒｓｈｉｐｏｆａｗａｖｅｇｌｉｄｅｒａｎｄｔｈｅｍｏｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｅｒｏｆｔｈｅｔｒａｃｔｏｒ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１８ꎬ５２(２):１２７￣１３２.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))[２]㊀李小涛ꎬ王理ꎬ吴小涛.波浪滑翔器原理和总体设计[Ｊ].四川兵工学报ꎬ２０１３ꎬ３４(１２):１２８￣１３１.(ＬＩＸｉａｏｔａｏꎬＷＡＮＧＬｉꎬＷＵＸｉａｏｔａｏ.Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｏｆｗａｖｅｇｌｉｄｅｒ[Ｊ].ＳｉｃｈｕａｎＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｌｉｔａｒｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１３ꎬ３４(１２):１２８￣１３１.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))[３]㊀田宝强ꎬ俞建成ꎬ张艾群ꎬ等.波浪驱动无人水面机器人运动效率分析[Ｊ].机器人ꎬ２０１４ꎬ３６(１):４３￣４９.(ＴＩＡＮＢａｏｑｉａｎｇꎬＹＵＪｉａｎｃｈｅｎｇꎬＺＨＡＮＧＡｉｑｕｎꎬｅｔａｌ.Ｍｏｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗａｖｅ￣ｄｒｉｖｅｎｕｎｍａｎｎｅｄｓｕｒｆａｃｅｒｏｂｏｔ[Ｊ].ＴｈｅＲｏｂｏｔꎬ２０１４ꎬ３６(１):４３￣４９.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))[４]㊀贾立娟.波浪滑翔机双体结构工作机理与动力学行为研究[Ｄ].天津:国家海洋技术中心ꎬ２０１４.(ＪＩＡＬｉｊｕａｎ.Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍａｎｄｄｙｎａｍｉｃｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｗａｖｅｇｌｉｄｅｒ[Ｄ].Ｔｉａｎｊｉｎ:ＮａｔｉｏｎａｌＭａｒｉｎｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｎｔｅｒꎬ２０１４.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))[５]㊀杨燕ꎬ张森ꎬ史健ꎬ等.波浪滑翔机海洋环境监测系统[Ｊ].海洋技术学报ꎬ２０１４ꎬ３３(１):１０９￣１１４.(ＹＡＮＧＹａｎꎬＺＨＡＮＧＳｅｎꎬＳＨＩＪｉａｎꎬｅｔａｌ.ＷａｖｅｇｌｉｄｅｒＭａｒｉｎｅｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｙꎬ２０１４ꎬ３３(１):１０９￣１１４.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))[６]㊀张禹ꎬ薄玉清ꎬ刘慧芳.波浪滑翔机的水动力性能分析[Ｊ].制造业自动化ꎬ２０１７ꎬ３９(３):１２３￣１２６.(ＺＨＡＮＧＹｕꎬＦＵＹｕｑｉｎｇꎬＬＩＵＨｕｉｆａｎｇ.Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆｗａｖｅｇｌｉｄｅｒ[Ｊ].ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬ２０１７ꎬ３９(３):１２３￣１２６.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))[７]㊀ＱＩＺＦꎬＬＩＵＷＸꎬＪＩＡＬＪꎬｅｔａｌ.Ｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｗａｖｅｇｌｉｄｅｒ[Ｃ]//ＡｐｐｌｉｅｄＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ.２０１３:２８５￣２９０.[８]㊀杨建国ꎬ张兆营ꎬ鞠晓丽ꎬ等.工程流体力学[Ｍ].北京:北京大学出版社ꎬ２０１０:５５￣６３.(ＹＡＮＧＪｉａｎｇｇｕｏꎬＺＨＡＮＧＺｈａｏｙｉｎｇꎬＪＵＸｉａｏｌｉꎬｅｔａｌ.Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆｌｕｉｄｍｅｃｈａｎｉｃｓ[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＰｅｋｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＰｒｅｓｓꎬ２０１０:５５￣６３.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)) [９]㊀胡合文.波浪滑翔机的水动力分析[Ｄ].哈尔滨:哈尔滨工程大学ꎬ２０１５.(ＨＵＨｅｗｅｎ.Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｗａｖｅｇｌｉｄｅｒ[Ｄ].Ｈａｒｂｉｎ:ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ２０１５.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))[１０]唐家鹏.ＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴ１６.０超级学习手册[Ｍ].北京:人民邮电出版社ꎬ２０１７:１１９￣１２６.(ＴＡＮＧＪｉａｐｅｎｇ.ＡＮＳＹＳＦＬＵＥＮＴ１６.０ｓｕｐｅｒｓｔｕｄｙｍａｎｕａｌ[Ｍ].Ｂｅｉｊｉｎｇ:ＰｏｓｔｓａｎｄＴｅｌｅｃｏｍＰｒｅｓｓꎬ２０１７:１１９￣１２６.(ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ))。
水下滑翔机航行算法及数据处理系统研究
水下滑翔机航行算法及数据处理系统研究为了开发海洋资源,寻找能源、矿产以及生物资源等,人类利用自治水下航行器(AUV)进行海洋勘探。
水下滑翔机作为一种新型的自治水下航行器,具有成本低、航程远、下潜深、航行时间长、具有自主导航能力等特性,通过挂载不同类型的传感器,成为海底观测平台中不可或缺的一部分。
本文研究水下滑翔机能耗与滑行状态的关系,提出一种能耗最优的组合航行算法,研发数据处理系统,为航行提供准确的参数,通过实验测试系统的性能。
研究表明,滑翔机以最小阻力姿态航行,转弯半径尽可能小,每次下潜深度尽可能大,则能耗最低。
根据确定的航行任务,通过GPS获得起始经纬度,给定目标点的经纬度,结合罗盘测得的偏航角,明确起始航向。
滑翔机先做螺旋运动调整航向,然后在垂直纵剖面做锯齿形运动。
每次下潜上浮后在水面通过GPS 纠正航向,以逐渐纠偏的方式逼近目标点。
数据处理系统由上下位机两部分组成,采用检错重发的通信机制。
上位机功能包括参数设置、操作保护和数据处理,下位机的功能包括系统自检、数据处理、运动部件调试、航行任务规划和应急处理。
实验验证了数据处理系统的性能满足要求,滑翔机的钛合金外壳和天线防水外罩耐压大于2.4MPa,尾翼轴的动静密封可靠,并测得电机的最佳工作状态。
同时,测试了可控参数——重块偏移量和净浮力,对航行的俯仰角和垂直分速度的影响。
水下声学滑翔机研究进展及关键技术
水下声学滑翔机研究进展及关键技术水下无人平台自主探测技术是水下无人平台完成使命任务的重要保障，在军事国防领域占有举足轻重的地位，其研究内容涉及水下无人平台结构与水动力、水下定位与导航、任务自适应规划、自主控制、数据传输与通信、动力推进、任务载荷、目标自主探测与跟踪、目标属性自主判别及共性基础技术等领域，是当前国际研究的前沿热点。
水下声学滑翔机属于水下无人平台自主探测研究领域，其在环境观测型水下滑翔机技术基础上，综合考虑了平台电磁兼容性及声学特性，搭载声学传感器及信号处理系统，具备海洋环境噪声采集、水声信号采集、声纹记录、数据处理及上浮通信等功能，可用于完成敏感海域或拒止区域移动目标自主探测、跟踪、属性判别和信息回传等任务。
一、水下声学滑翔机研究现状（一）国外研究现状国外在水下滑翔机集成声学传感器方面起步较早，且成果显著，尤以美国最为突出。
2010年5月7日，葡萄牙科研工作者在西太平洋劳盆地(Laubasin)北部布放搭载水听器的Slocum水下声学滑翔机(见图1)，用于监测西马塔(WestMata)的海下火山，记录了随距离变化的声波振幅，证明了地质变化将使该地区噪声水平上升。
试验结果表明，水下声学滑翔机用于水声监测的效果可以与水下自主水听器相媲美；2013年5月，葡萄牙阿尔加维大学又在葡萄牙海岸布放了搭载SR-1水听器的Slocum用于探测水下噪声，结果表明，其可对水下噪声进行时间和空间尺度上的有效探测。
美国研制的Seaglider水下声学滑翔机尾部舱段集成了5Hz～30kHz全向声压水听器(见图2)，并配有数据采集与存储设备，声学设备动态范围120dB、本底噪声低至34dB。
2006年8月，科研人员在加利福尼亚州蒙特利湾布放了3台Sea-glider水下声学滑翔机，共获取401个剖面、107小时的声学数据，采集到了蓝鲸、座头鲸和抹香鲸的叫声。
此次试验航行时间达40天，航行里程达200km，取得了较好的试验效果。
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。
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。
基于改进Xmodem协议的水下滑翔机通信系统设计
（ 中国科学院 沈 阳自动化研究所 机器人学国家重点 实验室 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ ０ １ ６ ）
摘
要 ：水下滑翔机是一种依靠重心和 自身净浮力变化驱动航行的新型水下机器人 。为满足其长时间大
尺度海洋调查的要求 ， 设计了一种无线 电和铱星卫星通信相结合的通信 系统 ， 并根据通信 系统在海洋环境 下通信链路不稳定的特点 ， 设计了一种改进 Ｘ ｍ ｏ ｄ ｅ ｍ通信协议 ， 以保证水下滑翔机在海洋调查 过程 中通信 的有效性和可靠性。通过海上实验表明 ： 该通信 系统 和改 进 Ｘ ｍ ｏ ｄ ｅ ｍ协议 可以满足水下 滑翔机上传 实验
ｏ ｃ ｅ ａ ｎ， ａ ｃ ｏ ｍｍｕ ｎｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｉ ｎｇ ＲＦ ｃ ｈ ａ ｎｎ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ Ｉ ｒ ｓ ａ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ｉ ｓ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ． Ａｉ ｍｉ ｎ ｇ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎｓ ｔ．ＹＵ Ｊ ｉ ａ ｎ — ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ．Ｊ Ｉ Ｎ Ｗｅ ｎ － ｍｉ ｎ ｇ （ Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ ｉ ｃ ｓ ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ａ ｃ ａ ｄ ｅ ｍｙ ｏ ｆ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ｓ ， Ｓ ｈ ｅ ｎ ｙ ａ ｎ ｇ １ １ ０ ０ １ ６ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ） Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ ｕ ｔ ｏ ｎ ｏ ｍ ｏ ｕ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｗ ａ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ （ Ａ Ｕ Ｇ） ｉ ｓ ａ ｎ ｅ ｗ ｋ ｉ ｎ ｄ ｏ ｆ ｕ ｎ ｄ ｅ ｗａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ ｄ ｒ ｉ ｖ ｅ ｎ ｂ ｙ ｃ ｈ ａ ｎ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ
海洋水下滑翔机的设计与控制
海洋水下滑翔机的设计与控制随着人们对海洋深处的探索逐渐深入，传统的潜水器已经无法满足人们的需要。
海洋水下滑翔机（AUV）应运而生，它是一种可以在水下进行自主航行的无人机器人。
它的设计和控制十分重要，本文将对其进行详细探讨。
一、海洋水下滑翔机的设计1. 常用设计海洋水下滑翔机是由多个部件组成的，包括浮力球、滑翔机身、机头、机尾、尾翼和螺旋桨等。
其中浮力球起到平衡的作用，滑翔机身则保证机器人的稳定性和描绘测量区域的能力；机头和机尾分别用于航向控制和稳定控制；尾翼和螺旋桨用于实现机器人的姿态控制和推进。
根据滑翔机的工作原理，海洋水下滑翔机设计主要有两种类型。
一种是推进式，另一种是滑翔式。
（1）推进式推进式滑翔机是通过螺旋桨推进的，可以在水下进行自主航行。
它的优点是马力大，可以更快地行进。
但不足之处是运动的惯性比较大，需要更多的功率才能控制。
（2）滑翔式滑翔式滑翔机可以利用水流进行滑行，自身的浮力和水流的作用力可以保持平衡状态。
它的优点在于节约能量和简单的设计。
但是，这种滑翔机不能像推进式滑翔机那样轻易地控制。
2. 关键元件关键元件包括电机、电子控制系统、氧气发生器、水流计和声纳。
这些部件是控制滑翔机实施海域观测时所需的。
其中氧气发生器是非常重要的，因为海水的氧气含量很低，如果没有这个设备，机器人可能会因为氧气不足而无法工作。
水流计和声纳则用于避免水流的影响，以保证机体的稳定性。
二、海洋水下滑翔机的控制1. 定位和导航系统定位和导航系统是控制滑翔机的关键。
由于滑翔机是实现自主水下航行的无人机器人，因此定位和导航系统必须具备高精度的特性。
目前，在海洋水下滑翔机设计中，主要采用四种方式实现定位和导航系统：GPS、北斗卫星导航、声纳和惯性导航系统。
海洋水下滑翔机需要实现自主航行和定点测量，因此在这几个方面具有同等重要的作用。
同时，正常的GPS天线作用于海水中的电磁波过于微弱，可能会失去定位功能，因此需要结合使用其他导航系统以保证精度。
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。
水下滑翔机技术的研究与应用
水下滑翔机技术的研究与应用水下滑翔机是一种能够在水下自主滑行的机器人，它通过控制自身的浮力和重力来实现在深海中的探测和观测任务。
由于具有多种先进的技术，如智能化控制、高效能电池和海洋探测仪器，水下滑翔机被广泛应用于海洋资源勘探、环境监测、海洋气象、水下考古等领域，而且在未来的海洋科研和工业探明中也将发挥重要作用。
一、水下滑翔机的工作原理和组成结构水下滑翔机的工作原理基于阿基米德原理和伯努利原理，它通过控制机体的浮力和重力来实现在不同深度的运动。
同时，滑翔机采用高效能电池和深海探测仪器来实现自主探测和数据传输，并且与通信卫星和地面站进行联络，确保精确有效的探测结果。
水下滑翔机在结构上主要包括机身、飞翼、节流阀、着陆装置、电子设备等组成部分。
机身是由高极性材料和可变密度泡沫构成，具有轻便且稳定的特点。
飞翼是滑翔机的关键部件，它能够通过摆动机身实现机体的升降运动。
节流阀控制飞行姿态，促进平稳的运动和精确的观测。
着陆装置用于在水面上和水底上实现安全的起降操作。
二、水下滑翔机的技术特点和应用领域水下滑翔机作为海洋探测和监测领域的一项创新技术，具有以下几个技术特点：1、高智能化控制水下滑翔机采用高度智能化和自主化的控制技术，可以对海洋环境进行实时的观测和监测。
在海洋科学领域中，水下滑翔机能够精确地测量海底地形、水体温度和盐度、水流速度和方向等指标，为海洋环境的研究提供了丰富的数据。
2、长时间下潜水下滑翔机是通过高效能电池工作的，因此它可以在深海底层长时间下潜。
在高深度环境中，滑翔机能够保持对海洋环境的长时间观测和监测，同时具有可重复和可编写的任务功能。
3、精确的观测和探测能力水下滑翔机具有极高的精确度和稳定性，能够准确地探测和观察不同深度的海洋环境。
除此之外，滑翔机的快速调整能力和灵活的振翼机构使其成为一种高效的探测工具。
水下滑翔机在海洋探测和监测方面的应用非常广泛，如测量海水温度、盐度、流速、有机物含量或磁场等大量参数；扫描和记录湍流水流；记录冰面下的有关情况。
洋流影响下的水下滑翔机动力学建模、运动分析与控制器设计研究
洋流影响下的水下滑翔机动力学建模、运动分析与控制器设计研究一、本文概述Overview of this article随着海洋科技的飞速发展，水下滑翔机作为一种新型的海洋探测设备，其在海洋环境监测、海底资源勘探、海洋灾害预警等领域的应用日益广泛。
然而，水下滑翔机在复杂的海洋环境中运行时，受到洋流、海流、潮汐等多种因素的影响，其动力学特性极为复杂。
因此，深入研究洋流影响下的水下滑翔机动力学建模、运动分析以及控制器设计，对于提高水下滑翔机的运行效率、稳定性和安全性具有重要意义。
With the rapid development of marine technology, underwater gliders, as a new type of marine exploration equipment, are increasingly widely used in fields such as marine environmental monitoring, seabed resource exploration, and marine disaster warning. However, when underwater gliders operate in complex marine environments, they are influenced by various factors such as ocean currents, ocean currents, tides,etc., and their dynamic characteristics are extremely complex. Therefore, in-depth research on the dynamics modeling, motion analysis, and controller design of underwater gliding under the influence of ocean currents is of great significance for improving the operational efficiency, stability, and safety of underwater gliders.本文旨在探讨洋流影响下的水下滑翔机动力学建模方法，分析水下滑翔机在洋流作用下的运动特性，研究控制器设计策略以提高水下滑翔机的运动性能和鲁棒性。
基于流体力学的水下滑翔机设计研究
基于流体力学的水下滑翔机设计研究随着科技的不断发展和人们对深海环境的探索需求日益增长，水下滑翔机的应用越来越受到关注。
水下滑翔机是一种能够在水下长时间滑翔的自主推进设备，具有较低的能耗和较高的控制精度，被广泛应用于海洋环境监测、海底矿产勘探、深海生态调查等领域。
本文将利用流体力学的知识，介绍水下滑翔机的基本原理和设计研究进展，并探讨其未来的发展方向与应用前景。
一、水下滑翔机的基本原理和结构水下滑翔机是一种能够通过改变自身重心位置而进行垂直上升和下降的设备，其工作原理类似于滑翔机。
水下滑翔机的结构主要由机身、翅膀和尾翼等组成，其中机身内部放置有各种传感器和控制器。
水下滑翔机采用的是激光测距控制技术，可在海底深度达到数千米的极端环境下完成自主控制任务。
二、水下滑翔机的流场分析水下滑翔机在水中滑行时，会遇到水的阻力和滑翔过程中产生的涡流等流体问题，因此流场分析是设计与优化水下滑翔机的重要工作之一。
首先，水下滑翔机在水中运动时受到的阻力包括湍流阻力和摩擦阻力等多种类型。
要降低阻力，需要减小机身和翅膀的阻力面积，并且采用流线型外形设计。
其次，在水下滑翔机运动过程中会产生诸如涡流、流磨砺、剪切力等复杂的物理现象。
这些流场问题会影响到滑翔机的稳定性和控制精度，需要在设计阶段通过流场模拟和实验来研究并解决。
三、水下滑翔机的应用前景和发展趋势水下滑翔机近年来在海洋环境监测、深海资源勘探、深海生态调查等领域得到广泛应用。
其在海洋环境监测中可以通过测量水温、盐度、水位等参数来监测海洋环境的变化；在深海资源勘探中，可以通过激光测距和探测仪器来获得地质结构信息，并进一步开展深海矿产资源开发；在深海生态调查中，可以对深海生物进行采样，研究海洋生态与保护。
未来，水下滑翔机的应用前景依然广阔。
在工业应用方面，水下滑翔机可以用于管道、基础设施的巡检和监控，也可以用于海底沉积物、矿产的采集和勘探。
在科学研究领域，水下滑翔机可以用于海洋生态与生物多样性研究、深海环境观测和地球探测等领域。
水下滑翔机集群应用现状与关键技术展望
水下滑翔机集群应用现状与关键技术展望毛柳伟，杜 度，李 杨(中国人民解放军92587部队，北京 100161)摘要: 水下滑翔机依靠调节浮力实现升沉，借助水动力实现水中滑翔，可对复杂海洋环境进行长时续、大范围的观测与探测，在全球海洋观测与探测系统中发挥着重要作用，目前其应用领域已部分拓展至水下目标探测。
本文综述水下滑翔机集群组网执行海洋环境观测和集群水下目标探测方面的应用现状，对水下滑翔机平台集成控制、人工智能技术应用、能源补给、水声通信等制约其集群水下探测能力提升的关键技术进行分析，对水下滑翔机技术未来的发展趋势进行了展望。
关键词：水下滑翔机；集群组网；关键技术中图分类号：TP242; TJ630 文献标识码：A文章编号： 1672 – 7649(2020)12 – 0013 – 08 doi：10.3404/j.issn.1672 – 7649.2020.12.003Application status and key technology prospect of underwater glider clusterMAO Liu-wei, DU du, LI Yang(No.92587 Unit of PLA, Beijing 100161, China)Abstract: The underwater glider(UG) dives along a saw-tooth trajectory by adjusting the buoyancy and maintains its gliding mode by making use of hydrodynamic force. It can realize continuous observation and detection in long range and large scale in the complex ocean environment. Therefore, UG plays an increasingly important role in the novel global ocean observation and detection systems; At present, its application comprehension has been partially extended to underwater tar-get detection. This paper summarizes the recent development status of UG cluster networking in marine environment obser-vation and cluster underwater target detection, and the constraints technology on its cluster underwater detection were ana-lyzed, such as integrated control of underwater glider platform, the application of artificial intelligence, energy supply, under-water acoustic communication. In addition, the development trend of UG application was prospected.Key words: underwater glider；cluster networking；key technology0 引 言水下滑翔机（underwater glider）是一种典型的自治水下航行器，主要采用浮力驱动实现其在海洋中的上升或下潜，其工作原理如图1所示。
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。
水下滑翔机的控制系统设计及运动仿真
第 ２期
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ ＆ ０Ｃ Ｅ ＡＮ Ｅ ＮＧＩ ＮＥ Ｅ ＲＩ ＮＧ
Ｖ０ １ ． ４ ２ Ｎｏ ． ２
Ａｐ ｒ ． ２ ０１ ３
２ ０ １ ３年 ０ ４月
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ － ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ２ ． ０ ４ ２
第一作者简介 ： 李
哗（ １ ９ ７ ８一） ， 男， 博士 ， 教授
研究方 向： 水 下机器人 的运 动控制 、 路 径规划 以及数 据融合技术
Ｅ－ ｍａ ｌ ｌ ： ｌ ｉ ｙ ｅ ＠ｈ ｒ ｂ ｅ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
浮力 作 用下开 始 上 浮运 动 ， 并 最 终 达 到上 浮 到定 常 滑翔 运动状 态 ；
大载体 排水 体积 达 到 中性状 态 ， 水 下 滑 翔 机 开 始 减速下 潜 ， 并最 终停 止运 动 ；
４ ） 通 过俯仰 调 节机 构 向艉部 移 动 电池 组 ， 使
得水 下 滑翔机 姿态 变为 艏朝上 艉朝 下 ；
５ ） 通过浮力调节机构增大载体排水体积 ， 使
得水 下 滑翔机 处 在 正 浮力 状 态 ． 水 下 滑翔 机 在 正
力， 同时相应改变载体重心在纵向上的位置 ， 形成
一
１ ） 通过俯仰调节机构 向艏部移动 电池组 ， 使
得 水下 滑翔机 保持 艏朝 下艉 朝上 姿态 ； ２ ） 通过 浮力调 节 机构 减 少 载 体排 水 体 积 ， 使
得 水下 滑翔 机器 人处在 负 浮力状 态 。水 下 滑翔机
定 的攻角 ， 再 利用 水 平 翼 产 生 的 升力 的纵 向分
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水下滑翔机系统设计与优化
水下滑翔机是一种新型的无人水下自主航行器,与传统水下航行器相比,水下滑翔机没有螺旋桨作为动力,它通过改变自身的净浮力和俯仰角实现锯齿式前进。
因此,水下滑翔机具有成本低、能耗低、续航能力强、隐身能力强等特点,可根据使用场景搭载不同的模块,在海洋环境勘测、军事侦察等领域具备广泛的应用前景。
本文以自行研制的水下滑翔机为研究对象,进行系统的运动建模、结构设计和控制系统软硬件平台搭建,建立了系统能耗模型并确立最优滑翔参数。
本文的主要研究成果及创新点如下:1.建立滑翔机在垂直平面内的动力学模型和运动学模型,揭示了水动力参数、净浮力、滑块质量、滑块平移距离等因素对水下滑翔机运动的影响,为后续研究奠定了理论基础。
2.针对现有的几种外形方案,利用Ansys14.0进行水动力仿真,比较几种模型的优缺点,确定外壳方案。
搭建姿态调节机构和浮力调节机构,提出了一种油腔体积测量的新方法,并验证了方案的有效性。
3.设计搭建了岸上控制实验平台和嵌入式控制系统,采用CRC校验和返回重发纠错机制保证数据通信的可靠性,采用在线监测控制和离线诊断的方式进行数据分析。
4.建立滑翔机的总体能耗模型,以俯仰角、下潜深度和净浮力作为可变参数求得滑翔机最优能耗参数,并分析嵌入式芯片的低功耗模式,为水下滑翔机的节能设计奠定理论基础。