波浪驱动滑翔器工作机理分析与水下滑翔体的结构设计

摘要

波浪驱动滑翔器是一种新型的水面移动观测平台，它由通过脐带缆连接的水面浮体和水下滑翔体两部分组成，利用海面以下水质点运动半径较小的特点，通过脐带缆将浮体采集到的波浪起伏运动传递到水下滑翔体，水下滑翔体上的水翼在有攻角的情况下运动，产生前进的动力，从而将海面的波浪起伏直接转换为前进的推力，实现长期的出海工作而不需要额外提供能源，通过搭载不同的传感器，可以实现各种观测功能，在资源探测、环境监测、军事侦察等各方面都有较为重大的意义。本文工作如下:
　　(a)本在现有研究成果的基础上，本文分析了波浪驱动滑翔器的工作机理，分别对平板翼型和非平板翼型进行各过程受力分析，给出水翼翻转的依据，并给出基于升力及阻力系数的水翼分力计算方法。
　　(b)通过流体仿真软件ANSYS CFX进行了对平板翼型和NACA四位数字翼型进行仿真对比，通过不同速度下二者的性能对比进行选择;对NACA0012翼型分别进行了多速度、多攻角仿真，并给出小攻角范围内，水翼的升力及阻力系数与攻角的数值关系;通过MATLAB对水翼进行数值仿真，并求出平均推力;通过多水翼阵列仿真分析了水翼间距对水动力性能的影响，并进行选取确定。
　　(c)在理论分析的基础上，提出水面浮体和水下滑翔体总体的设计要求，并对水下滑翔体进行结构设计，包括水翼设计、主框架设计、整流罩设计以及附加组件连接设计等部分。
　　(d)对整体结构进行稳定性分析，确保其具有良好的运行稳定性及抗扰动能力;通过对波长较小时浮体的理论运动轨迹和实际运动轨迹的对比，对浮体最大长度提出了设计要求。
　　(e)对水下滑翔体模型进行下水试验。在验证理论模型的同时，分析实验数据与理论数据差异产生的原因，提出影响推力的因素，对结构设计的改进优化提供参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究意义

1．4 研究内容

1．5 本章小结

第2章 波浪驱动滑翔器的工作机理

2．1 波浪理论

2．1．1 Airy微幅波理论

2．1．2 水质点运动实质

2．2 运动过程

2．3 受力分析

2．3．1 简化模型--平板

2．3．2 非平板模型

2．4 本章小结

第3章 水翼水动力学仿真

3．1 ANSYS CFX简介

3．1．1 CFX的特点

3．2 平板翼型与NACA翼型

3．2．1 NACA四位数字翼型

3．2．2 平板翼型与NACA翼型的选取

3．2．3 翼型选择

3．3 NACA翼型水动力系数的确定

3．4 水翼受力的数值计算

3．5 阵列水翼仿真

3．6 本章小结

第4章 水下滑翔体结构设计

4．1 引言

4．2 整体设计要求

4．3 水翼设计

4．3．1 水翼的选材

4．3．2 水翼平面形状设计

4．3．3 转轴设计

4．4 主框架设计

4．4．1 主框架的选材

4．4．2 主框架的几何参数设计

4．4．3 主框架的安装设计

4．5 脐带缆设计

4．6 整体装配图

4．7 本章小结

第5章 稳定性分析

5．1 稳定性分析

5．2 浮体的长度设计要求

5．3 本章小结

第6章 水下滑翔体水池实验

6．1 引言

6．2 实验方法

6．3 实验过程

6．4 实验结果

6．5 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢