水下滑翔器设计参数与运动性能分析

水下滑翔器设计参数对其运动性能具有重要影响．通过对水下滑翔器稳定运动状态的分析,获得其设计参数与整体运动性能的关系,并得到参数的取值范围,用于指导水下滑翔器设计过程．为此,详细分析了水下滑翔器稳态运动时的攻角、运动方向、速度和设计参数之间的关系,并得到水下滑翔器设计参数需要满足的约束条件．通过分析水下滑翔器的运动性能,得到旋转重物的偏心量和浮力调节系统位置等参数的优化取值．最后,文章设计了水下滑翔器的物理样机,并进行了水域试验,验证了设计和分析的有效性     

基于温差能源的水下滑翔器动力学分析与设计

水下滑翔器作为一种新型水下机器人系统，对于海洋环境监测与资源探测具有重要应用价值．与采用电能驱动方式不同，设计开发了一种海洋环境能源（温差能源）驱动的水下滑翔器，并应用Gibbs—Appell方程建立了动力学模型，仿真分析了水下滑翔器的垂直剖面运动特性，获得了相应的运动参数．依据动力学仿真结果，设计了基于温差能源的热机系统，以及姿态调整机构与控制系统．水域实验结果表明，水下滑翔器采用温差能源驱动，其原理是可行的，所设计的热机系统热交换功率达到47W，可以满足水下滑翔器驱动性能要求．     

高空远程滑翔无人水下航行器气动参数估算

为了研究高空远程滑翔无人水下航行器（UUV）气动参数特性,根据飞机气动参数估算的方法,通过类比方式在小迎角、小侧滑角和尾翼偏转不大的情况下对高空远程滑翔UUV的纵向、横向气动参数和操纵导数进行计算.结合风洞试验结果进行对比分析,结果证明：计算和试验结果显示了良好的一致性,通过2种方式获得的气动特性均满足航行器的低阻特性和静稳定性要求,说明借鉴飞机参数的估算方法是可行的,为进一步对航行器的弹道设计、载荷计算、控制参数的选择和完善设计提供有力依据.
     

静水压力对水下滑翔器O形圈密封性能影响的数值分析

利用Workbench软件模拟不同压缩率下静水压力对O形圈变形、范·米塞斯应力和接触压力的影响,得到其间的对应关系.计算表明,静水压力对密封圈变形的影响随着压缩率的增大而减小;压缩率较小时,静水压力的增加会引发挤入现象,从而使范·米塞斯应力急剧增大,导致密封圈破坏,故水深较大时,需较大的压缩率或添加挡圈;在不同的压缩率下,接触压力随静水压力的增加而增大,最大接触压力始终大于静水压力,可保证其正常的密封性能.计算结果可为完善水下滑翔器密封结构的设计提供参考.     

HAG-UUV机翼挂载飞行状态流体特性仿真

利用数值仿真的方法研究了高空滑翔无人水下航行器(HAG-UUV)在机翼下挂载飞行状态的流体动力特性.在水平面和铅垂面内,分别分析了HAG-UUV受到的流体扰动.考虑机翼与HAG-UUV的耦合状况,运用Ansys CFX软件完成了数值仿真.研究了无人水下航行器浮心到机翼中线距离540~940mm、攻角-5°~20°及侧滑角-15°~15°等工况对挂载状态的影响,绘制了对HAG-UUV受到的流体作用力和力矩曲线.结果表明:UUV浮心到机翼中线距离小于760mm时壁面效应明显,HAG-UUV在竖直方向受到的流体作用力显著增加;攻角变化会极大改变UUV受到的流体作用,当侧滑角从-15°变化到15°时,UUV受到的流体作用并不关于0°侧滑角对称.当侧滑角为0°时,UUV仍受到流体侧向作用力和偏航力矩的干扰,产生这一现象的原因在于后掠型机翼使流场产生侧向诱导速度.     

AutoNaut构型波浪滑翔器驱动机构数值模拟

波浪滑翔器是一款利用水下波浪动力转换机构实现波浪推进的水面无人探测平台,它出色的续航性能和无污染等优点受到了广泛的关注和认可。但是由于波浪滑翔器复杂的双体结构会导致其对作业水深有一定要求,且存在弱机动性、布放回收较为苛刻等缺点,制约了其全海况覆盖的发展。为了克服上述缺点,本文研发一种新型的利用升沉-俯仰共同驱动的波浪滑翔器(AutoNaut构型波浪滑翔器,ANWG)是极为必要的。首先,分析了ANWG推进机理,确定了其总体功能要求和设计目标,并完成了ANWG样机的总体结构设计;其次,进行了ANWG初步海试实验,对浮体船运动响应进行了分析,通过AQWA软件仿真计算,确定了ANWG浮体船的水动力参数,并基于浮体船的运动响应建立了被动扑动水翼的数值模型,得到了最佳的前后水翼弹簧刚度系数;最后开展了ANWG自航行海试实验,通过实验得到的推力和水翼摆角等因素与仿真结果进行了对比,结果验证了理论分析和仿真结果的正确性和可靠性。     

水下航行器海流发电装置叶轮的数值仿真

针对水下航行器航行过程中的能源补给问题,设计了一种用于水下航行器的垂直轴海流发电装置.为探索稳定海流中发电装置叶轮的受力特性和功率输出特性,利用滑移网格技术对叶轮流场进行了二维非定常数值仿真,结果与实验数据较为吻合.针对4叶片和3叶片叶轮分析了叶轮旋转速度ω和叶片翻转角θ对叶轮发电性能的影响,结果表明,3叶片叶轮最大输出功率要高于4叶片叶轮,展长为1 m的3叶片叶轮在v∞=1 m/s、θ=120°和ω=0.3 rad/s时获得最大平均输出功率29.33 W.分析了3叶片叶轮在来流v∞=1 m/s下速度场的基本特点,为实际的设计安装工作提供了预测和指导.     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性的数值模拟

采用滑移网格技术和计算流体力学方法,在导管螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程,以此模拟在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨的推力特性,观察螺旋桨在这一环境下的水动力现象.计算结果表明:当来流从尾部流向机器人时,对于尾导管螺旋桨,有机器人影响时其推力系数比无机器人时要小,对处于机器人舷侧的螺旋桨,有机器人时其推力系数比无机器人时要大;当来流从首部流向机器人时其情形刚好相反;而当机器人轴线与流向大致垂直时,有无机器人对螺旋桨推力系数的影响不大.     

超级电容式混合动力汽车驱动特性分析

本文是在建立实验模型的基础上,利用MATLAB仿真软件进行计算超级电容式混合动力汽车驱动特性数据,并从功率的角度在混合动力汽车实验台上测试获取的数据与计算数据相吻合。实验证明:在特定驾驶工况下获得的特性曲线,说明了影响混合动力驱动工况的各类因素,如车重等,同时表明了仿真软件计算出的特性曲线,为混合动力汽车各种工况下研究驱动特性提供依据。     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性实用数值模拟方法

以数值模拟手段研究作为水下机器人主要姿态与轨迹控制机构的导管螺旋桨在回转状态下的水动力特性。首先根据所要计算的导管螺旋桨的几何要素构造导管和螺旋桨的三维几何模型,在此基础上采用动网格技术以计算流体力学方法借助计算流体力学软件Fluent,采用有限体积法在导管和螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程以此对在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨以一定转速和一定来流方向下所产生的推力特性进行数值模拟分析,观察在水下机器人主体流场干扰下螺旋桨推进器的水动力现象。为验证所采用的预测导管螺旋桨水动力特性数值方法的有效性,在Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨已有实验数据的基础上,将数值模拟结果与试验结果进行比较,对比结果表明本文所采用的数值方法是可靠的。     

水下高速航行体自然超空泡形态特性仿真研究

为使水下高速航行体获得减阻量,基于均匀多相流假设,建立了水下高速航行体自然超空化流动的多相流计算流体力学模型.应用商业软件Fluent 6.2进行了水下高速航行体自然超空泡计算,对比分析了带圆锥和圆盘空化器的两种高速航行体形成超空泡的空泡长度、空泡直径、空泡含汽率和航行体表面的空泡厚度等超空泡形态特性.数值模拟了带圆盘空化器头部航行体的超空泡流发展过程,获得了航行体的超空泡形态变化特性.仿真结果表明:圆盘头形空化器有利于航行体超空泡的形成;超空泡的相对直径与相对长度随空化数增加而减小;在水下高速航行过程中,航行体形成稳定超空泡的长细比非常高,随着航行体速度的衰减,其超空泡迅速出现不稳定状态.     

碟形潜水器水动力性能研究

对开发设计的一种碟形潜水器进行了模型试验，得到了该潜水器的阻力性能数据及垂向运动水动力导数。在此基础上，对潜水器的运动稳定性和操纵性能进行了分析。研究结果表明，碟形潜水器具有良好的阻力性能和操纵性能。     

阻力伞-灵巧子弹系统气动及稳定性研究

为研究阻力伞-灵巧子弹系统空气动力学特性及气动特性对系统飞行动稳定性的影响,应用系统动力学和计算流体力学对非轴对称弹体外形进行了对比仿真,分析了子弹和阻力伞气动流场,与风洞试验进行了对比;为优化伞-弹系统气动特性,提高打击效率提供了数据支持,同时建立伞-弹弹道模型进行系统弹道仿真,归纳了气动数据、开伞时间对系统动稳定性影响规律.结果表明非对称外形对子弹气动特性影响不大,系统气动特性稳定,合适的开伞时间和气动参数对动稳定性有一定影响.      

多机构控制下的拖曳体三维水动力响应分析

以一种自主稳定可控制水下拖曳体为研究对象,分析匀速拖曳时在迫沉水翼和双尾推进器联合作用下拖曳体的三维水动力响应特性.首先根据已有的单控制机构(迫沉水翼或双尾推进器)作用下拖曳体的拖曳水池样机二维试验数据作为训练样本,采用LMBP算法,建立起基于神经网络理论的自主稳定可控制水下拖曳体水动力数值模型,以此为工具分析在两种控制机构联合操纵下拖曳体的三维水动力特性.数值模拟结果表明:利用这一神经网络模型可以对拖曳体在多机构控制动作下的三维水动力响应进行有效的数值仿真模拟.     

控制动作下带缆遥控水下机器人的水动力特性

首先利用模糊神经网络算法构建了基于完整的带缆遥控水下机器人水动力数学模型的控制器,对水下机器人多自由度上的轨迹和姿态进行控制;然后,针对传统螺旋桨推进力分析方法中的缺陷,引入神经网络相关理论并结合计算流体方法对推进力和转速之间的相互关系进行辨识和换算;在此基础上构建了一个完整的、包括模糊神经控制器、机器人水动力数学模型以及推进力和转速换算模块的带缆遥控水下机器人控制系统;最后,在考虑系统各部分间相互影响的前提下进行了水动力特性的整体分析和计算.数值计算结果表明,所建立的控制系统可以对带缆遥控水下机器人进行有效的轨迹和姿态控制,文中方法可以从整体的角度分析一定控制动作下水下机器人的水动力响应.     

吊舱推进器桨毂间隙影响的数值分析

以拖式吊舱推进器为对象,采用求解RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes）方程的方法研究桨毂间隙对水动力性能的影响,应用滑移网格技术处理桨叶与吊舱的非定常相互作用.分别计算了具有不同间隙宽度的模型,以考察有、无间隙以及间隙宽度变化对推进器各部分水动力的影响.计算结果表明：桨毂间隙对推进器单元水动力及桨叶水动力的影响均很小;桨毂间隙内压力作用于桨毂后端面形成推力,其大小约为桨叶推力的2%~3%;桨毂后端面与桨叶随边的距离一定时,间隙内压力随间隙宽度的增大而降低.