水下滑翔机水动力性能模拟及实验研究

摘要

水下滑翔机(Autonomous Underwater Glider, AUG)是一种新型水下机器人。它的动力源为海水的净浮力，依靠净浮力水下滑翔机可以在海水中沿着锯齿状的轨道缓慢滑行。因为它没有推力系统，所以具有噪声小，续航久，滑行距离长等特点。并且其上可以安装各种传感器作为辅助，水下滑翔机在海洋大数据收集、军事侦查、海洋环境与资源监测等方面起着至关重要的作用。本文以某种型号水下滑翔机为主要研究对象，采用计算流体力学，并根据飞行原理，对水下滑翔机进行了水动力性能的模拟，探究其流场变化规律。具体研究方案如下:
　　分析水下滑翔机的基本运行原理，对其进行受力分析，选择合适的坐标系建立其数学模型，其中包括水下滑翔机运动学方程、水下滑翔机动力学方程以及求解控制方程。
　　其次，根据工程实际结构数据，利用Solidworks软件建立三维仿真模型，对水下滑翔机及其流体域进行网格划分，并对边界层网格进行加密处理，根据其真实的运动状态设定相应的边界条件。此外，基于有限体积法，对水下滑翔机在-10°至10°攻角下、0.25m/s至1.25m/s的航速下进行数值模拟，拟合出阻力系数、升力系数与俯仰力矩随攻角变化的曲线，得到其最佳滑行姿态。并针对0°攻角下的速度场、压力场与湍流强度场等进行仿真分析。
　　最后，根据现有设备对水下滑翔机进行拖拽实验研究，得到不同航速下阻力的变化情况，通过实验结果与仿真分析结果进行对比分析，验证实验研究及仿真分析的正确性，为后续结构改进以及运动控制提供数据支撑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本论文的研究背景与研究意义

1．2 国内外研究进展及现状

1．2．1 国外研究进展

1．2．2 国内研究现状

1．3 水下滑翔机的未来发展趋势

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 水下滑翔机运行原理与动力学建模

2．1 水下滑翔机的基本运行原理

2．2 坐标系

2．2．1 坐标系的选择

2．2．2 坐标系间的转换

2．3 水下滑翔机运动方程

2．3．1 水下滑翔机的运动速度

2．3．2 水下滑翔机旋转的角速度

2．4 水下滑翔机力平衡方程和力矩平衡方程

2．5 本章小结

第3章 水下滑翔机仿真模型建立

3．1 水下滑翔机技术参数与建模

3．2 水下滑翔机网格划分

3．3 计算模型及控制方程

3．4 水下滑翔机数值模拟环境

3．5 本章小结

第4章 水下滑翔机在不同工况下的数值模拟与分析

4．1 不同航速下水下滑翔机整体流场分析

4．1．1 压力场分布与分析

4．1．2 速度场的分布与分析

4．1．3 湍流强度分布与分析

4．1．4 整体外流场压强分布与分析

4．2 升力系数、阻力系数与升阻比

4．3 本章小结

第5章 水下滑翔机水动力实验研究

5．1 引言

5．2 水下滑翔机拖拽实验模型及原理

5．3 实验步骤

5．4 拖拽实验数据采集与处理

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利

致谢