弱温差下水下热滑翔机参数对相变过程的影响
温差能驱动的水下滑翔机工作过程数值模拟
态将 热 能释放 到海 洋 中 ， 同时体 积收 缩． 中通过 其
一
放热 能． 在蓄放 热过 程 中 ， 相变 材料 发生 固液变 化 而使 体积 发生变 化 ， 而改 变 水 下滑 翔 机 的浮 力 从 大小 ， 现上下 运动Ｅ２． 实 １ 本文 基于 焓法模 型 ， 温 － ］ 将
度场 和液相 分数 场 解 耦 ， 用 全 隐式 有 限 差 分对 采
个 液压 换 向装 置 ， 相变 材 料 的体 积 变 化 转化 使
成 滑 翔 机 的 整 体 体 积 变 化 ， 而 改 变 整 机 的 浮 力 从
变化 ， 产生 上下运 动 的同时 ， 在 经作 用在机 翼上 的
分 力 而 产 生 向前 运 动 ． 此 ， 变 过 程 的 传 热 特 性 因 相
号 凝 胶 为 贮 能 材料 ， 究 了对 流 换 热 系数 、 能 容器 半径 对相 变过 程 的影 响． 研 储
关 键 词 ： 下 滑 翔 机 ； 洋 温差 能 ； 变 ； 法 模 型 水 海 相 焓
中 图 法 分 类 号 ：７ ． Ｐ ５１ ＤＯＩ １ ． ９ ３ ｊｉｓ ． ０ ６２ ２ ． ０ １ ０ ． ０ ： ０ ３ ６ ／．ｓ ｎ １ ０ — ８ ３ ２ ｌ ． ２ ０ ２
大 影 响 ． 下 滑 翔 器 的 结 构 外 形 如 图 １所 示 ， 中 水 其 相 变 材 料 装 在 机 体 外 侧 的 贮 能 管 中．
效导热 系数 来表示 熔解 过程 液相 自然 对流 对相变 过程 的影 响． 几 种不 同 的相 变 材料 进 行 传 热分 对 析 ， 出不 同材 料 、 同结 构 尺 寸 、 同对 流 换热 得 不 不
系 数 对 相 变 过 程 的 影 响 ， 滑 翔 机 动 力 系 统 储 能 为 装置 的设计 提供 依据．
新型温差能驱动水下滑翔器系统设计
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.31 No.3 2009 总第31卷，2009年第3期新型温差能驱动水下滑翔器系统设计王延辉，张宏伟，武建国摘要：温差能驱动水下滑翔器使用海洋温差能作为驱动能源，只使用少部分电能用于控制和传感系统，其巡航范围和工作时间远远大于其它种类的水下航行器，与电能驱动水下滑翔器相比也具有明显优势.文章给出了温差能驱动水下滑翔器各功能模块设计和试验，并进行了总体系统的水域试验，验证了系统设计的有效性.关键词：水下航行器；水下滑翔器；温差能；驱动中图分类号：P715.5, TP24 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2009) 03-0051-04Design of a new type underwater glider propelled by temperaturedifference energyW ANG Y an-hui, ZHANG Hong-wei, WU Jian-guo(School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract:The underwater glider which is driven by temperature difference energy uses little electric energy to the control and communication system. Thus its cruise range is much longer than other kinds of Underwater V ehicles. And also it has many advantages than the underwater glider driven by electric energy. The main modules designs and experiments are analyzed. And the effectiveness of the whole underwater glider system is verified by the tests in the water area.Key words: Underwater V ehicle; underwater glider; temperature difference energy; drive0 引言水下滑翔器是在自持式中性浮标的基础上发展的一种海洋观测技术，以补充漂流浮标不具有自主水平运动和定向航行的功能.1978年，Woods Hole海洋研究所（Woods Hole Oceanographic Institution，简称WHOI）讨论把SOFAR浮标改进，增加水平移动的功能[1].水下滑翔器的原始概念由海洋学家Henry Stommel于1989年正式提出[2]，并由海洋科学家Doug Webb等人于1995年研制出水下滑翔器，命名为Slocum，用于海洋参数测量[3-4].作为一种新型的海洋传感器搭载和运输平台，水下滑翔器不同于传统的水下机器人，它通过改变自身体积与重力的比例实现升沉运动，并通过尾舵摆动[4]或改变横滚姿态实现转向运动[5-6].这种工作方式使得水下滑翔器巡航范围和时间均有显著提高，增加了海洋监测的能力.目前水下滑翔器浮力驱动系统的能源供给形式分为两种，一种是使用电能驱动，另一种则利用海洋表层与深水层的温度差实现浮力改变.与电能驱动的水下滑翔器比较，温差能驱动水下滑翔器由于使用海洋环境能源作为系统的驱动能源，其巡航范围和时间又有显著提高，同时由于不使用功率较大的电机作为动力源，其水下运行平稳安静，具有极小的噪音和扰动，更适于海洋环境监测[4].表1给出了典型的水下航行器、Slocum电能驱动水下滑翔器和Slocum 温差能驱动水下滑翔器的性能.温差能驱动水下滑翔器自概念提出，受到海洋科学家普遍关注，其技术也有了快速发展.2000年10月，温差能驱动水下滑翔器第一次成功实现了水域测试.收稿日期：2008-09-23；修回日期：2009-04-13基金项目：国家自然科学基金重点项目（50835006）；国家自然科学基金青年基金（50705063）；天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目（09JCZDJC23400）.作者简介：王延辉（1979-），男，博士后，主要研究方向：水下机器人和海洋装备.此后，其技术一直进行改进 [7].我国对温差能驱动水下滑翔器的研究开始于2004年，天津大学和国家海洋技术中心合作，成功研制了温差能驱动水下滑翔器试验样机，并进行了水域试验.此滑翔器在空气中整体质量约为50 kg ，工作深度可达100 m ，携带温度传感器获取运动水域的温度信息.此外，滑翔器可以利用水域表面与深水层约10℃的温差产生浮力驱动，浮力调节量为±0.5 N ，并通过电能控制，调整耐压壳体内部姿态控制机构的状态，使滑翔器重心与浮心产生相对位移，以控制滑翔器的姿态.1 系统设计温差能驱动水下滑翔器整体布局如图1所示，根据功能，其结构主要分为以下4个功能模块：主体模块，包括耐压壳体及其附件，姿态调整模块，控制与通讯模块，浮力调节模块.本文对各功能模块分别进行设计.图1 温差能驱动水下滑翔器系统布局示意图1.1 主体模块设计水下滑翔器的主体结构可产生内部耐压舱，以保护舱内的仪器和设备不受外部水域条件干扰.主体模块设计主要包括：耐压壳体的型体优化设计、壳体材料选择、各舱段密封形式设计、内部装配空间优化设计、加工成型制造工艺研究、外部附体设计.水下滑翔器的耐压壳体外形及其附件决定了滑翔器的水动力特性，很大程度上影响了滑翔器的运动性能.为此，在已知排水量的情况下，兼顾内部构造与内部空间的利用情况，设计需要尽可能优化水阻力，提高滑翔器性能.水下滑翔器采用中间舱段为圆柱壳体，两端舱体为半椭球壳体设计，圆柱壳体直径200 mm ，椭球截面的偏心率为3.5，壳体长度为1 860 mm ，壳体壁厚6mm .考虑到加工的工艺性和水下滑翔器的工作环境，耐压壳体材料选用硬铝合金材料.后端舱体为浸水设计，用于安装外皮囊和部分测量传感器，减少水阻力，同时用于固定垂直尾翼.外皮囊与水下滑翔器外部的环境直接接触，通过改变外皮囊的体积来改变整个滑翔器的体积，进而改变浮力.1.2 姿态调整模块设计姿态调整模块是水下滑翔器系统的重要组成部分，机构的合理设计是水下滑翔器能够实现预定的运动规律和良好运动性能的前提.姿态调整机构主要包括俯仰姿态调整机构以及滚转姿态调整机构，它们共同安装在一个方形导轨上.对于俯仰姿态调整机构，选取平移机构总重量5 kg ，可实现在平衡位置前后20 cm 的平移运动，运动最大速度可达0.011 m/s .其运动通过安装在平移重物上的齿轮和固定于导轨上的齿条之间的啮合来实现.滚转姿态调整机构的整体重量5 kg ，偏心量（偏心旋转机构的重心与旋转轴的距离）0.1 m ，可实现绕导轨的±40°的偏转.其运动通过安装在偏心重物上的齿轮和固定于导轨上的齿轮啮合实现.俯仰姿态调整机构和滚转姿态调整机构的设计结构如图2和图3所示.1.3 控制与通讯模块设计控制与通讯模块具有水下滑翔器运动状态监控功能，用于控制姿态调整机构，获得理想的航行状态，同时模块具有接收指令，规划航迹，发送存储数据等水下滑翔器 整体固紧件TCM 电子罗盘 加强肋偏心旋 转重物 偏心旋转重物 末端定位件 俯仰姿态调整 机构驱动电机 控制电路板和 电机驱动器 支架固定端 蓄能腔工作腔外皮囊外压力传感器 固定垂 直尾翼温度传感器电磁阀内皮囊 内部压力传感器固定水平翼支架 平移重物 耐压壳体滚转驱动电机电池前耐压舱功能.根据水下滑翔器的功能要求，文章选择分布式控制系统结构，将其自上而下分为组织层、协调层和执行层.然后根据选定的结构，研究电路硬件系统的实现，并对硬件编程，进行软件设计，实现预定功能.图2 俯仰姿态调整机构结构示意图图3 滚转姿态调整机构结构示意图1.4 浮力调节模块设计温差能驱动浮力调节模块利用一套类似于热机的液压系统，通过和水域环境的热量交换，获得驱动能量，使水下滑翔器浮力改变，进而实现系统整体水中的升沉运动.浮力调节模块中含有两种介质：工作介质和传递介质.工作介质用于感受外界环境变化，常温下即可发生固－液两态的相变，并产生相应的体积变化.传递介质用于把工作介质的体积变化通过液压系统传递给外皮囊，使外皮囊体积发生相应改变.其工作原理如图4所示[8-9]，工作腔（1）感受环境温度变化.工作腔（2）为蓄能器，预充压力略高于滑翔器的设定工作深度压力，本文给定1.2MPa.滑翔器下沉过程中，环境温度的降低使得工作介质体积缩小，内皮囊内的传递介质流入工作腔（1）.上升过程中，工作介质体积膨胀，传递介质从工作腔（1）流入蓄能器（2）中，为滑翔器系统储能，以用于下一次外皮囊体积涨大做功.工作腔设计承压为1.2MPa，采用夹层圆柱壳体，工作介质放于圆柱夹层中，其中夹层的外壁作为中后端耐压壳体，与外部环境直接接触，夹层的内壁用来固定安装水下滑翔器内部器件，此设计使得滑翔器的结构更加紧凑，工作介质与环境的热量交换效率更高.蓄能腔和内、外皮囊均选隔膜蓄能器和蓄能器专用皮囊，并通过电磁阀和液压管路连接，完成设计.图4 热机系统工作原理[8,9]2 主要功能模块单元试验2.1 姿态调整模块试验姿态调整模块的联调试验主要根据水下滑翔器的工作特点，选取典型角度0°、±15°、±20°、±30°作为滑翔器滚转姿态角的参考值，观察姿态调整系统的调整误差.试验装置如图5所示，具体过程为：设定水下滑翔器需要保持的一组横滚角度，分别为0°、±15°、±20°、±30°，在此基础上根据姿态调整模块的实际姿态角驱动伺服电机，进而调节偏心旋转重物的角度，以使模块达到预设偏转角度.图5 姿态调整模块联调试验装置图根据试验结果，可以得到横滚角的误差与初始角、目标角的关系，如图6所示.图中曲线代表各不同的初始角状态.由试验结果可以看到，姿态调整模块的横滚角度在-30°~30°的工作范围内，其角度误差基本在1°左右，满足设计要求.方形导轨被动锥齿轮主动锥齿轮驱动电机齿轮支架固定齿条传动对称直齿轮末端定位件固定大齿轮小齿轮驱动电机工作介质（1）传递介质外皮囊真空阀门两位两通电磁阀（4）流量控制装置内皮囊单向阀蓄能器（2）（3）图6 姿态调整模块试验曲线2.2 浮力调节模块单元试验试验主要用于验证温差能浮力调节模块的做功能力，在海洋环境小温差下，其浮力改变的实现情况.通过模拟海洋环境温度，实现获得外皮囊体积变化率与时间和环境温度的关系.图7为皮囊体积膨胀率与温度和时间的关系.由试验结果可以看出，此模块能够利用温度差产生系统的浮力改变，达到了预期的设计目标.图7 外皮囊体积变化试验结果3 系统水域试验为验证新型温差能驱动水下滑翔器的总体性能，将上述各功能模块在单元试验的基础上进行集成，并选择我国千岛湖水域进行了样机的宽水域试验.试验过程中获取了多组千岛湖水域夏季垂直剖面温度数据，图8为其中的8组数据.图8 千岛湖温度剖面试验数据分析数据可以看出，夏季千岛湖水域在水深5 m~15 m 之间，存在明显温度跃变，由表层的约30℃温度变化为深水层的10℃左右，这为新型温差能驱动的水下滑翔器提供了理想的工作环境.试验过程和结果验证了温差能驱动水下滑翔器的设计目标，样机能够利用千岛湖的水域温差实现动力驱动.4 结论温差能驱动水下滑翔器作为一种新型的水下自航行器，使用海洋表层与一定的深水层温度差产生动力驱动，而只使用一小部分电能用于控制和通讯，因而其航程和航行时间均大大增加.同时由于温差能驱动水下滑翔器噪音和振动小，使其成为海洋长期监测的理想平台.本文给出了一种新型的温差能驱动水下滑翔器的整体设计，并分别讨论了各主要模块的设计过程和功能试验.通过整机的水域试验验证了设计的有效性，为温差能驱动水下滑翔器进一步技术发展提供了经验.参考文献：[1] Webb D. SOFAR floats for POL YMODE [C]//Proc.Oceans’77 Conf., Los Angeles, CA., U.S.A., 1977, 2: 44B - 1-44-B-5.[2] Stommel H. The Slocum mission [J]. Oceanography, 1989,2 (1): 22-25.[3] Simonetti P .. SLOCUM glider: design and 1991 field trials[R]//Webb Research Corp., Woods Hole Oceanographic Institution, Office of Naval Technology, Contract No. N00014- 90C-0098, 1992.[4] W ebb D., Simonetti P ., and Jones C. SLOCUM: anunderwater glider propelled by environmental energy [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 447-452. [5] Eriksen C. C., Osse T. J., Light R. D., et al. Seaglider: along-rangeautonomousunderwatervehicleforoceanographic research [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4):424-436.[6] Sherman J., Davis R. E., Owens W . B., et al. The auto-nomo us underwater glider “Spray” [J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2001, 26(4): 437-446.[7] XRA Y fling wing glider [EB/OL]. [2008-07-]. http:// www./projects/xray/summary.html.[8] 王延辉，王树新，谢春刚.基于温差能源的水下滑翔器动力学分析与设计[J].天津大学学报，2007, 40(2): 133-138. [9] 王树新，王延辉，张大涛，等.温差能驱动的水下滑翔器设计与试验研究[J].海洋技术，2006, 25(1): 1-5.1.50 1.00 0.50 0.00 -0.50 -1.00 -1.50-2.00 -40 -30 -20 -10 0 10 20 -30°40-20°-15°0°15° 20°30°目标角度/(°)误差角度/(°)30 时间/min 体积膨胀变化率/% 5101520 25 30 35-35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 温度/℃深度/m。
外形参数对翼身融合水下滑翔机的高升阻比特性影响研究
第３５卷第２期２０２１年４月 江苏科技大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏｌ ３５Ｎｏ ２Ａｐｒ．２０２１ ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０２１．０２．００３外形参数对翼身融合水下滑翔机的高升阻比特性影响研究张代雨，王志东，凌宏杰，朱信尧（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江２１２１００）摘 要：针对翼身融合水下滑翔机，分析了各种外形参数对其升阻比的影响大小排列，以提高外形设计效率．首先，基于势流理论和粘性修正，提出一种可实现翼身融合水下滑翔机外形参数大变形情况下的升阻比快速计算方法；然后，采用最优拉丁超立方设计进行外形参数的高效均匀采样，并建立多元二次回归模型对样本数据进行最小二乘拟合；最后，根据归一化的回归模型系数，得到不同外形参数对升阻比的影响率大小排列．结果表明，扭转角、攻角及两者的耦合参数对升阻比的影响显著，在翼身融合水下滑翔机外形设计时应优先调整．关键词：水下滑翔机；升阻比计算；最优拉丁超立方设计；多元二次回归模型中图分类号：Ｕ６７４ ９４１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４８０７（２０２１）０２－０１９－０５收稿日期：２０１９－１１－０４ 修回日期：２０２０－０４－１６基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１９０９１１０）；江苏省高等学校自然科学研究基金资助项目（１９ＫＪＢ５７０００１）；江苏省高校高技术船舶协同创新计划项目（ＨＺ２０１９００１９）作者简介：张代雨（１９８８—），男，博士，讲师，研究方向为水下航行器设计．Ｅ ｍａｉｌ：ｄａｉｙｕ．ｚｈａｎｇ＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｃｏｍ引文格式：张代雨，王志东，凌宏杰，等．外形参数对翼身融合水下滑翔机的高升阻比特性影响研究［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０２１，３５（２）：１９－２３．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０２１．０２．００３．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｈｉｇｈｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｗｉｔｈｂｌｅｎｄｅｄｗｉｎｇｂｏｄｙＺＨＡＮＧＤａｉｙｕ，ＷＡＮＧＺｈｉｄｏｎｇ，ＬＩＮＧＨｏｎｇｊｉｅ，ＺＨＵＸｉｎｙａｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｗｉｔｈｂｌｅｎｄｅｄｗｉｎｇｂｏｄｙ，ｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏｉｓｓｔｕｄｉｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｑｕｉｃｋｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｆｌｏｗｔｈｅｏｒｙａｎｄｖｉｓｃｏｕｓｉｔｙｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ，ｗｈｉｃｈｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｌａｒｇｅｄｅｆｏｒｍａ ｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｗｉｔｈｂｌｅｎｄｅｄｗｉｎｇｂｏｄｙ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅｏｐｔｉｍａｌＬａｔｉｎｈｙｐｅｒ ｃｕｂｅｄｅｓｉｇｎｉｓｕｓｅｄｔｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙａｎｄｕｎｉｆｏｒｍｌｙｓａｍｐｌｅｔｈｅｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ａｎｄｔｈｅｍｕｌｔｉｖａｒｉａｔｅｑｕａｄｒａｔｉｃｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｏｐｅｒｆｏｒｍｔｈｅｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅｓｆｉｔｔｉｎｇｏｎｔｈｅｓａｍｐｌｅｄａｔａ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｏｒｄｅｒｏｆｉｎｆｌｕ ｅｎｃｅｏｆｓｈａｐｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏｉｓｏｂｔａｉｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌｃｏｅｆｆｉ ｃｉｅｎｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｗｉｓｔａｎｇｌｅ，ａｎｇｌｅｏｆａｔｔａｃｋａｎｄｔｈｅｉｒｃｏｕｐｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｈａｖｅｔｈｅｍｏｓｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏ，ｗｈｉｃｈｓｈｏｕｌｄｂｅａｄｊｕｓｔｅｄｐｒｅｆｅｒｅｎｔｉａｌｌｙｉｎｔｈｅｓｈａｐｅｄｅｓｉｇｎｏｆｂｌｅｎｄｅｄ ｗｉｎｇ ｂｏｄｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏ，ｏｐｔｉｍａｌＬａｔｉｎｈｙｐｅｒｃｕｂｅｄｅｓｉｇｎ，ｍｕｌｔｉｐｌｅｑｕａｄｒａｔｉｃｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎｍｏｄｅｌ 海洋占地球表面积的７１ ８％，具有丰富的自然资源，世界上各国对海洋资源的开发与利用日益重视．水下滑翔机（ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ，ＡＵＧ）［１－４］作为一种新型的水下航行器，主要通过调节净浮力来改变其运动姿态，实现在水中的滑翔运动．其对能源的需求量小，制造成本低，可以长时间在不同深度、不同广度的海域中航行，目前越来越受到各国研究人员的重视．相较于由回转体、水翼和操纵面组成的传统布局水下滑翔机，翼身融合水下滑翔机具有翼型剖面形状的扁平机身，且水翼与机身平滑地融合在一起，可大幅提高升阻比．但翼身融合水下滑翔机的外形曲面复杂，需要使用大量的外形参数进行描述，在水下滑翔机设计过程中若对这些参数都进行详细设计，效率不高．因此，分析各种外形参数对升阻比的影响，划分出外形主要影响参数和次要影响参数，可指导设计者进行快速设计，减少设计成本，提高设计效率．采用试验设计方法（ｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ＤＯＥ）［５－６］可进行翼身融合水下滑翔机外形参数对升阻比的影响率分析，但需要对生成的每一个样本点进行相应的升阻比计算．目前，计算流体力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）方法为常用的翼身融合水下滑翔机升阻比计算方法［７－９］，并且经过科研人员多年的努力，已开发出ＣＦＸ、ＦＬＵＥＮＴ和ＳＴＡＲ－ＣＤ等多款成熟的商业ＣＦＤ软件［１０－１３］，均可应用于翼身融合水下滑翔机升阻比的精确计算．但ＣＦＤ方法主要通过对流体计算域进行网格划分得到空间网格，并在空间网格上建立离散的大规模代数方程组，进而进行流体动力参数的求解，计算耗时较长，此外对空间网格（也称为体网格）的质量要求较高［１４］．而使用ＤＯＥ方法进行翼身融合水下滑翔机的升阻比影响参数分析时，所需的外形参数变化范围较大，无论是网格自动生成还是网格变形方法均会导致新生成的网格质量较差，不能应用于多样本点的升阻比自动计算，若手工对每一个样本点进行计算，计算时间大幅增加；此外，所需的样本点较多，由于每个样本点的ＣＦＤ耗时严重，导致总的计算耗时十分严重．针对上述问题，文中首先基于势流理论，提出一种翼身融合水下滑翔机的升阻比快速计算方法，实现外形参数大变形情况下的升阻比快速计算；然后，采用最优拉丁超立方设计进行样本采样，并建立回归模型对样本点数据进行分析；最后，得到水下滑翔机外形参数对升阻比的影响率大小排列．１ 翼身融合水下滑翔机外形参数借鉴于航空中新一代飞行器翼身融合布局［１５］的高升阻比特点，翼身融合水下滑翔机外形主要采用扁平椭球机身，且机身与机翼平滑连接，且每一个横截面均为翼型剖面．图１为１１个翼型剖面组成的翼身融合水下滑翔机外形，其外形左右对称．分析图１可知，翼身融合水下滑翔机的几何外形建模主要由两类参数决定：（１）每个翼型剖面的形状参数．形状参数具体指的是每个展向翼型剖面所选择的翼型类型、弦长和厚度等参数．（２）每个翼型剖面的扭转角参数．扭转角是各个展向位置翼型剖面弦长相对于翼根剖面弦长扭转的角度，当扭转使翼型剖面前缘向下时为负值，使前缘向上时为正值．图１ 翼身融合水下滑翔机外形Ｆｉｇ．１ Ｓｈａｐｅｏｆｂｌｅｎｄｅｄ ｗｉｎｇ ｂｏｄｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ２ 水下滑翔机的升阻比快速计算基于势流理论，提出一种翼身融合水下滑翔机的升阻比快速计算方法，并对其进行了粘性修正．由于该方法仅需对外形表面进行离散化，因此，与ＣＦＤ方法对体网格的高质量要求相比，对表面网格的质量要求大大降低，可实现外形参数大变形情况下的升阻比快速计算．２ １ 基于势流理论的升阻比快速计算为了计算翼身融合水下滑翔机的升阻比，给定翼身融合水下滑翔机外形和相应的边界条件后，需要对外形外部的流体计算域Ｖ进行求解．如果流体计算域中的流体被认为是无漩不可压的，则控制方程为：２Φ＝０（１）式中Φ为速度势函数．在滑翔机的固定体坐标系中，相应的边界条件为： Φ·ｇｎ＝０ 物面边界上（２）ｌｉｍｒ→∞（ Φ－ｖ）＝０ 无穷远处（３）式中：ｎ为物面边界上的法向单位向量；ｖ为无穷远处来流速度．基于格林公式，计算域内任一点的速度势可表示为：Φ（ｐ）＝１４π∫ＳＢ＋ＳＷμｎ· １()ｒｄＳ－１４π∫ＳＢσ１()ｒｄＳ＋Φ∞（ｐ）（４）０２江苏科技大学学报（自然科学版）２０２１年式中：ＳＢ为水下滑翔机外形表面；ＳＷ为尾涡面；ｒ为点ｐ到外形表面上一点的距离；σ为外形表面上分布的源汇强度；μ为外形表面上分布的偶极子强度．在式（４）中，σ和μ的分布未知，若求得σ和μ的值，则计算域内任一点ｐ的速度势均可通过式（４）求解．因式（４）对外形表面的每一个点均成立，文中将外形表面进行离散，划分为许多小的面元，并在每个面元的中点处引入式（４）进行速度势计算，进而得到一组线性代数方程组：∑Ｎｊ＝１（Ｃｉｊμｊ＋Ｂｉｊσｊ）＋∑Ｎｗｊ＝１Ｃｗｉｊμｗｊ＝０ｉ＝１，…，Ｎ（５）式中：μｊ和σｊ为每一个面元分布的偶极子和源汇强度；μｗｊ为每一个尾涡面元上分布的偶极子强度；Ｃｉｊ、Ｂｉｊ和Ｃｗｉｊ均为系数因子，具体计算表达式为：Ｃｉｊ＝１４π∫Ｓｊｎ· １()ｒｄＳ ｉ≠ｊ－１２{ｉ＝ｊＢｉｊ＝－１４π∫Ｓｊ１ｒｄＳ（６）Ｃｗｉｊ＝１４π∫Ｗｊｎ· １()ｒｄＳ式中：Ｓｊ和Ｗｊ分别为水下滑翔机外形上的面元和尾涡面上的面元．求解方程式（５），可得到σ和μ值．然后，基于伯努利方程和Ｔｒｅｆｆｔｚ平面法可求得水下滑翔机外形的压力分布和诱导阻力，进而可实现升阻比的快速计算．２ ２ 考虑粘性的升阻比修正求解的无粘流场可以用以计算精确的诱导阻力，但不能计算水下滑翔机受到的粘性阻力，需要对其进行粘性修正．进行耦合的边界层和势流求解是一种常用的粘性修正方法，通过该方法可以包含边界层的影响，进而计算粘性阻力，但需要边界层和势流的耦合迭代求解，计算量大．文中采用一种简单的方法进行粘性阻力修正．首先，确定位于水下滑翔机后缘的面元个数，并以每个后缘面元的中点为展向位置，截取水下滑翔机的横截面，建立等后缘面元个数的翼型剖面．然后，假设在每个翼型剖面上，粘性阻力系数与升力系数是二次函数关系：ｃｄ０＝α１（Ｒｅ）ｃ２ｌ＋α２（Ｒｅ）ｃｌ＋α３（Ｒｅ）（７）式中：ｃｄ０为每个翼型剖面的粘性阻力系数；ｃｌ为每个翼型剖面的升力系数；α１，α２，α３为二次函数系数，其与各个翼型剖面的局部雷诺数有关，具体通过各个翼型的阻力极曲线或者阻力数据拟合函数计算．最后，在展向方向对每个翼型剖面的粘性阻力系数进行积分，即可得到整个水下滑翔机的粘性阻力系数，进而对升阻比进行粘性修正．２ ３ 翼身融合水下滑翔机实例验证采用一型左右对称的翼身融合水下滑翔机对提出的升阻比快速计算方法进行验证，其具体外形如图１．分别采用Ｆｌｕｅｎｔ软件和所提方法计算不同攻角下的升阻比大小，并将结果进行对比．需说明的是因外形左右对称，使用Ｆｌｕｅｎｔ软件和所提方法计算升阻比时，均设置对称边界，取右半边外形进行计算，以加快计算速度．图２为使用文中所提方法进行翼身融合水下滑翔机升阻比计算时的面元网格，图３为计算后的表面压力系数分布．图２ 翼身融合水下滑翔机表面的面元网格Ｆｉｇ．２ Ｓｕｒｆａｃｅｇｒｉｄｏｆｂｌｅｎｄｅｄ ｗｉｎｇ ｂｏｄｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ图３ 翼身融合水下滑翔机表面的压力系数分布Ｆｉｇ．３ Ｐｒｅｓｓｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｂｌｅｎｄｅｄ ｗｉｎｇ ｂｏｄｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ表１为不同攻角下，Ｆｌｕｅｎｔ软件和文中所提方法计算的升阻比大小．表１ Ｆｌｕｅｎｔ和文中方法的升阻比计算结果对比Ｔａｂｌｅ１ Ｒｅｓｕｌｔｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏｃｏｍｐｕｔｅｄｂｙＦｌｕｅｎｔａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｍｅｔｈｏｄ攻角／（°）升阻比Ｆｌｕｅｎｔ文中方法２２１ １２１ ５４２７ ８２７ ３６２５ ９２５ ４８２１ ８２２ １１０１８ ６１９ １ 分析表１可知，与Ｆｌｕｅｎｔ计算结果相比，文中１２第２期 张代雨，等：外形参数对翼身融合水下滑翔机的高升阻比特性影响研究所提方法的计算误差在３％以内，满足后续分析所需的计算精度要求．３ 外形参数对升阻比的影响基于ＤＯＥ方法进行翼身融合水下滑翔机外形参数的样本采样，并建立回归模型进行外形参数对升阻比的影响大小分析．３ １ 最优拉丁超立方采样进行升阻比主因素分析前，需要采用ＤＯＥ方法合理而有效地获得不同水下滑翔机外形参数相关联的升阻比数据值，并使用最少的样本点数目获得最多的升阻比信息．目前，常用的ＤＯＥ方法主要包括全因子设计、部分因子设计、正交数组、中心组合设计、拉丁超立方设计、最优拉丁超立方设计等［１６］．其中，拉丁超立方设计对设计空间的填充能力强，相比全因子设计，可以用更少的样本点填充满整个空间．此外，拉丁超立方设计的拟合非线性响应能力强，相比正交试验，采用同样的样本点个数可以研究更多的因素组合．最优拉丁超立方设计是对拉丁超立方设计的进一步改进，使所有的样本点更加均匀地分布在整个设计空间，具有更好的空间填充性和均衡性．因此，文中使用最优拉丁超立方方法进行翼身融合水下滑翔机样本点的采样．首先，选择翼身融合水下滑翔机的外形左右对称，取一半外形进行升阻比计算，文中仅选取与右半边６个翼型剖面相关联的参数作为试验设计的因子，且具体分为两类：①６个翼型剖面的厚度比例参数Ｔｈｉｃｋｉ（ｉ＝１，…，６），通过改变其值的大小可改变每个翼型剖面的厚度；②６个翼型剖面的扭转角参数Ｔｈｅｔａｉ（ｉ＝１，…，６），通过改变其值大小可改变每个翼型剖面在ｘｙ平面的旋转角度．此外，考虑到翼身融合水下滑翔机的攻角对升阻比的影响显著，文中还将攻角Ａｌｐｈａ作为试验设计的因子．综上，各个试验因子的具体描述如表２．表２ 试验设计因子描述Ｔａｂｌｅ２ ＤｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｏｆＤＯＥｆａｃｔｏｒｓ试验因子上下限定义Ｔｈｉｃｋｉ［０ ８，１ ２］翼型厚度比例Ｔｈｅｔａｉ［０，２］翼型剖面旋转角Ａｌｐｈａ［０，６］攻角 对于上述翼身融合水下滑翔机的１３个试验设计因子，采用最优拉丁超立方方法对其进行取样，设置取样个数为５０个．针对生成的５０个参数样本点，采用文中提出的方法快速计算相应的水下滑翔机升阻比Ｌ／Ｄ数据值．３ ２ 外形参数对升阻比的影响排列使用多元二次回归模型［１７］进行各种翼身融合水下滑翔机外形参数对升阻比的影响大小排列．首先，根据以上得到的水下滑翔机参数样本点和升阻比Ｌ／Ｄ数据值，建立多元二次回归模型：ｙ＝θ＋∑αｉｘｉ＋∑βｉｘ２ｉ＋∑ｉ≠ｊγｉｊｘｉｘｊ（８）式中：θ、αｉ、βｉ和γｉｊ为回归模型中各项的系数．αｉ、βｉ和γｉｊ反映了回归模型中每一项对响应的效应．其中：αｉ为回归模型的线性主效应；βｉ为回归模型的二阶主效应；γｉｊ为回归模型的交互效应．为了更客观、直观地反应各个输入变量对响应的影响，对多元二次回归模型的建立过程进行归一化．首先，将输入变量统一归一化到［－１，＋１］后，使用最小二乘法求式（８）中系数；然后，将归一化后的回归模型系数通过式（９）转化为影响率百分比．Ｎαｉ＝１００αｉ∑｜αｉ｜＋∑｜βｉ｜＋∑｜γｉｊ｜Ｎβｉ＝１００βｉ∑｜αｉ｜＋∑｜βｉ｜＋∑｜γｉｊ｜（９）Ｎγｉ＝１００γｉ∑｜αｉ｜＋∑｜βｉ｜＋∑｜γｉｊ｜然后，基于由式（８、９）建立的归一化多元二次回归模型及计算出的影响率百分比，使用Ｐａｒｅｔｏ图描述回归模型中各项对升阻比的影响程度百分比（图４），图中浅色的条形表示正影响，深色的条形则表示反影响．图４ 各类参数对升阻比Ｌ／Ｄ影响的Ｐａｒｅｔｏ图Ｆｉｇ．４ Ｐａｒｅｔｏｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｖａｒｉｏｕｓｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｌｉｆｔ ｔｏ ｄｒａｇｒａｔｉｏ由图４可知，Ｔｈｅｔａ１和Ｔｈｅｔａ３的乘积项对Ｌ／Ｄ具有最大的正影响，Ｔｈｅｔａ１和Ａｌｐｈａ的乘积项对Ｌ／Ｄ具有最大的反影响；紧接着对Ｌ／Ｄ具有正影响的因素从大到小依次为Ａｌｐｈａ、Ｔｈｅｔａ２和Ｔｈｅｔａ６２２江苏科技大学学报（自然科学版）２０２１年的乘积项、Ｔｈｅｔａ２和Ｔｈｉｃｋ１的乘积项等，对Ｌ／Ｄ具有反影响的因素从大到小依次为Ｔｈｅａｔａ１和Ｔｈｉｃｋ４的乘积项、Ａｌｐｈａ的平方项、Ｔｈｅｔａ２和Ｔｈｉｃｋ４的乘积项等．综合来看，扭转角参数、攻角参数和两者的耦合项对Ｌ／Ｄ的影响显著，厚度比例参数及与其有关的耦合项对Ｌ／Ｄ的影响相对较弱，因此，在翼身融合水下滑翔机的外形设计过程中，应主要对扭转角参数和攻角参数进行调整，以改善翼身融合水下滑翔机的升阻比特性．４ 结论（１）提出一种翼身融合水下滑翔机的升阻比快速计算方法，该方法首先基于势流理论计算出压力分布和诱导阻力，再进行粘性修正，计算出精确的升阻比．相比于ＣＦＤ方法，所提方法计算耗时少，仅需生成表面网格，对网格的质量要求低．实例验证表明，所提方法的计算误差在３％以内．（２）基于提出的升阻比快速计算方法，对最优拉丁超立方设计生成的样本点进行自动升阻比计算，并建立多元二次回归模型对计算的数据进行分析．结果表明，扭转角、攻角和其耦合参数对Ｌ／Ｄ的影响显著，在翼身融合水下滑翔机外形设计中应优先调整以提高设计效率．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ ＲＵＤＮＩＣＫＤＬ，ＰＡＮＣｈｕｄｏｎｇ．Ｏｃｅａｎｒｅｓｅａｒｃｈｅｎａ ｂｌｅｄｂｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｓ［Ｊ］．ＡｎｎｕａｌＲｅｖｉｅｗｏｆＭａｒｉｎｅＳｃｉｅｎｃｅ，２０１６，８（１）：５１９－５４１．ＤＯＩ：１０．１１４６／ａｎｎｕｒｅｖ ｍａｒｉｎｅ－１２２４１４－０３３９１３．［２］ ＦＡＮＳ，ＷＯＯＬＳＥＹＣＡ．Ｄｙｎａｍｉｃｓｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄ ｅｒｓｉｎｃｕｒｒｅｎｔｓ［Ｊ］．ＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１４（８４）：２４９－２５８．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｏｃｅａｎｅｎｇ．２０１４．０３．０２４．［３］ 沈新蕊，王延辉，杨绍琼，等．水下滑翔机技术发展现状与展望［Ｊ］．水下无人系统学报，２０１８，２６（２）：８９－１０５．ＤＯＩ：１０．１１９９３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－３９２０．２０１８．０２．００１．ＳＨＥＮＸｉｎｒｕｉ，ＷＡＮＧＹａｎｈｕｉ，ＹＡＮＧＳｈａｏｑｉｏｎｇ，ｅｔａｌ．Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｓ：ａｎｏｖｅｒｖｉｅｗａｎｄｐｒｏｓｐｅｃｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｍａｎｎｅｄＵｎｄｅｒｓｅａＳｙｓｔｅｍｓ，２０１８，２６（２）：８９－１０５．ＤＯＩ：１０．１１９９３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９６－３９２０．２０１８．０２．００１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］ ＬＩＣ，ＷＡＮＧＰ，ＤＯＮＧＨ，ｅｔａｌ．Ａｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｓｈａｐｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｆｏｒｂｌｅｎｄｅｄ ｗｉｎｇ ｂｏｄｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒｓ［Ｊ］．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌａｎｄＭｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，２０１８，５８（５）：２１８９－２２０２．ＤＯＩ：１０．１００７／ｓ００１５８－０１８－２００５－４．［５］ ＰＡＵＬＯＦ，ＳＡＮＴＯＳＬ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｆｏｒｍｉｃｒｏｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ：ａｒｅｖｉｅｗ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｃｉｅｎｃｅ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣ，２０１７（７７）：１３２７－１３４０．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｍｓｅｃ．２０１７．０３．２１９．［６］ ＷＡＮＧＺ，ＹＵＪ，ＺＨＡＮＧＡ，ｅｔａｌ．Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃｇｅｏ ｍｅｔｒｉｃｍｏｄｅｌａｎｄｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｈａｐｅｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆａｆｌｙｉｎｇ ｗｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１７，３１（６）：７０９－７１５．ＤＯＩ：１０．１００７／ｓ１３３４４－０１７－００８１－７．［７］ 李冬琴，章易立，李鹏，等．支柱形式对小水线面双体船波浪增阻和运动响应的影响［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０２０，３４（１）：１－７．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０２０．０１．００１．ＬＩＤｏｎｇｑｉｎ，ＺＨＡＮＧＹｉｌｉ，ＬＩＰｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｓｔｒｕｔｆｏｒｍｏｎａｄｄｅｄｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎｄｍｏｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｔｈｅｓｍａｌｌｗａｔｅｒ ｐｌａｎｅａｒｅａｔｗｉｎｈｕｌｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０２０，３４（１）：１－７．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０２０．０１．００１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］ 孙春亚，宋保维，王鹏．翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析［Ｊ］．舰船科学技术，２０１６，３８（１０）：７８－８３．ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７６１９．２０１６．０１０．０１５．ＳＵＮＣｈｕｎｙａ，ＳＯＮＧＢａｏｗｅｉ，ＷＡＮＧＰｅｎｇ．Ｓｈａｐｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｂｌｅｎｄｅｄ ｗｉｎｇ ｂｏｄｙｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ［Ｊ］．ＳｈｉｐＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，３８（１０）：７８－８３．ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７６１９．２０１６．０１０．０１５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［９］ 王金强，王聪，魏英杰，等．飞翼式碟形水下滑翔机流动与运动特性分析［Ｊ］．哈尔滨工业大学学报，２０１８，５０（４）：１３７－１４３．ＤＯＩ：１０．１１９１８／ｊ．ｉｓｓｎ．０３６７－６２３４．２０１７０７０８４．ＷＡＮＧＪｉｎｑｉａｎｇ，ＷＡＮＧＣｏｎｇ，ＷＥＩＹｉｎｇｊｉｅ，ｅｔａｌ．Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｍｏｔｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｙｉｎｇ ｗｉｎｇｄｉｓｈ ｓｈａｐｅｄａｕｔｏｎｏｍｏｕｓｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｇｌｉｄｅｒ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，５０（４）：１３７－１４３．ＤＯＩ：１０．１１９１８／ｊ．ｉｓｓｎ．０３６７－６２３４．２０１７０７０８４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１０］ 凌杰，王毅，窦朋，等．钝体滑行艇喷溅阻力计算方法研究［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０１８，３２（４）：４５９－４６４．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１８．０４．００１．ＬＩＮＧＪｉｅ，ＷＡＮＧＹｉ，ＤＯＵＰｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｓｔｕｄｙｏｆｓｐｒａｙｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｂｌｕｎｔｂｏｄｙｐｌａｎｉｎｇｃｒａｆｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１８，３２（４）：４５９－４６４．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１８．０４．００１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（下转第５１页）３２第２期 张代雨，等：外形参数对翼身融合水下滑翔机的高升阻比特性影响研究［２］ 吕萌，蔡金燕，张志斌．多退化模式下的电子装备可靠性建模［Ｊ］．火力与指挥控制，２００９，３４（１０）：１６４－１６６，１７０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－０６４０．２００９．１０．０４５．Ｌ Ｍｅｎｇ，ＣＡＩＪｉｎｙａｎ，ＺＨＡＮＧＺｈｉｂｉｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｍｏｄｅｌｉｎｇｒｅｓｅａｒｃｈｕｎｄｅｒｍｕｌｔｉｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｍｏｄｅ［Ｊ］．ＦｉｒｅＣｏｎｔｒｏｌ＆ＣｏｍｍａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３４（１０）：１６４－１６６，１７０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２－０６４０．２００９．１０．０４５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］ 黄周霖，王召斌，王佳炜，等．磁继电器长贮零失效情况下的Ｂａｙｅｓ可靠性评估方法［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０１９，３３（５）：６７－７２．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０５．０１１．ＨＵＡＮＧＺｈｏｕｌｉｎ，ＷＡＮＧＺｈａｏｂｉｎ，ＷＡＮＧＪｉａｗｅｉ，ｅｔａｌ．Ｂａｙｅｓｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｌｏｎｇｓｔｏｒａｇｅｚｅｒｏｆａｉｌｕｒｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｒｅｌａｙ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１９，３３（５）：６７－７２．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０５．０１１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］ 王召斌．航天电磁继电器贮存可靠性退化试验与评价方法的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．［５］ 董宝旭．继电器类单机加速贮存试验及可靠性评价研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１６．［６］ 马跃．航天继电器失效机理与寿命预测方法的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．［７］ 葛蒸蒸，王悦庭，赵文晖，等．多元加速退化数据评估弹上产品贮存可靠性［Ｊ］．现代防御技术，２０１８，４６（２）：１３０－１３６．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－０８６ｘ．２０１８．０２．０２１．ＧＥＺｈｅｎｇｚｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＹｕｅｔｉｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｎｈｕｉ，ｅｔａｌ．Ｅｖａｌｕａｔｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｓｔｏｒａｇｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉｐｌｅａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｄａｔａ［Ｊ］．ＭｏｄｅｒｎＤｅｆｅｎｓｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１８，４６（２）：１３０－１３６．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－０８６ｘ．２０１８．０２．０２１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］ 黄晓毅．航天继电器贮存加速试验及寿命预测方法的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１３．［９］ ＹＥＸ，ＬＩＮＹ，ＷＡＮＧＱ，ｅｔａｌ．Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ ｂａｓｅｄｓｔｏｒａｇｅｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｌｉｎｇａｎｄｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＲｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ，２０１８（８８，９０）：１０７－１１０．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｍｉｃｒｏｒｅｌ．２０１８．０６．０８５．［１０］ 邵丹．密封式继电器贮存寿命预测方法的研究［Ｄ］．天津：河北工业大学，２０１５．［１１］ 余琼．航天继电器可靠性评价及寿命试验方法的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，２０１１：２６－３３．（责任编辑：曹莉檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶）（上接第２３页）［１１］ 谢云平，张韬，徐晓森，等．内河肥大型货船浅水阻力计算方法研究［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０１９，３３（１）：１－５．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０１．００１．ＸＩＥＹｕｎｐｉｎｇ，ＺＨＡＮＧＴａｏ，ＸＵＸｉａｏｓｅｎ，ｅｔａｌ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｓｈａｌｌｏｗｗａｔｅｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｉｎｌａｎｄｆａｔｃａｒｇｏｓｈｉｐｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１９，３３（１）：１－５．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１９．０１．００１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１２］ 刘斌．Ｆｌｕｅｎｔ１９．０流体仿真从入门到精通［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０１９．［１３］ 张春燕，马超，晏飞．基于ＣＦＤ－ＤＥＭ方法的不同弯径比弯管中气固两相流动特性［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０１８，３２（６）：８０３－８０８．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１８．０６．００９．ＺＨＡＮＧＣｈｕｎｙａｎ，ＭＡＣｈａｏ，ＹＡＮＦｅｉ．ＧａｓｓｏｌｉｄｔｗｏｐｈａｓｅｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｌｂｏｗｐｉｐｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｂｅｎｄｉｎｇｒａｄｉｕｓｒａｔｉｏｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＦＤ－ＤＥＭｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１８，３２（６）：８０３－８０８．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１８．０６．００９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１４］ ＫＥＮＮＥＤＹＧＪ，ＭＡＲＴＩＮＳＪＲ．Ａｐａｒａｌｌｅｌａｅｒｏｓｔｒｕｃ ｔｕｒａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｆｒａｍｅｗｏｒｋｆｏｒａｉｒｃｒａｆｔｄｅｓｉｇｎｓｔｕｄｉｅｓ［Ｊ］．ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＭｕｌｔｉｄｉｓｉｃＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，２０１４，５０（６）：１０７９－１１０１．ＤＯＩ：１０．１００７／ｓ００１５８－０１４－１１０８－９．［１５］ ＱＩＮＮ，ＶＡＶＡＬＬＥＡ，ＭＯＩＧＮＥＡＬ，ｅｔａｌ．Ａｅｒｏｄｙ ｎａｍｉｃｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓｏｆｂｌｅｎｄｅｄｗｉｎｇｂｏｄｙａｉｒｃｒａｆｔ［Ｊ］．ＰｒｏｇｒｅｓｓｉｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＳｃｉｅｎｃｅｓ，２００４，４０（６）：３２１－３４３．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ｐａｅｒｏｓｃｉ．２００４．０８．００１．［１６］ 韩中华，张科施．基于代理模型的工程设计：实用指南［Ｍ］．北京：航空工业出版社，２０１８．［１７］ 王婵．粒子群算法的改进及其在ＣＲＨ３型动车组结构优化的应用研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１８．（责任编辑：贡洪殿）１５第２期 李维燕，等：基于主元分析的电磁继电器贮存失效机理研究。
水下滑翔机动力系统工作性能的研究
关键 词 ： 温 差能 水下 滑翔机 ；感温 工质 ；固液相 变 ； 态分析 ；工作特 性 动
中 图分 类 号 ： Ｔ ２ Ｐ４ 文献标 识码 ： Ａ
文章 编号 ： １７ ７ ４ （ ０ ８ ０ ０ ８ ０ ＤＯ ：０ ３ ０ ／．ｓｎ １ ７ ７ ４ ． ０ ８ ０ ． １ ６ ２— ６ ９ ２ ０ ）３— ０ ２— ６ Ｉ １ ． ４ ４ ｊｉ ． ６ ２— ６ ９ ２ ０ ．３ ０ ５ ｓ
远 高 于 冷水 层 航 程 ； 据 相 变 的过 程 特征 ， 力 系 统 在 一 个 锯 齿 形 航 行 轨 迹 中 ， 分 为 ６个 工 作 过 程 加 以研 究 ； 析感 根 动 可 分 温 工质 液 态 和 固 态 的 保 持 时 间 ， 可确 定滑 翔 机 的 航 行 深 度 范 围 ， 为 动 力 系 统 的控 制 和 单 向 阀 的 动 作 时 序 控 制 提 供 也
（ ｔｔ Ｋ ｙＬ ｂ ｒｔ ｙｏ ｃａ ｎ ｉ ｅｉｇ Ｓ ａ ｇ ａ Ｊ ｏｏ ｇＵ ｉｅｓｙ Ｓ ａｇ ａ ２ ０ ３ ， ｈｎ ） Ｓａｅ ｅ ａ ｏａ ｒ ｆ ｅｎＥ ｇ ｅ ｒ ，ｈ ｎ ｈ ｉ ｉ ｔ ｎｖｒｉ ，ｈ ｎ ｈ ｉ ０ ０ ０ Ｃ ｉａ ｏ Ｏ ｎ ｎ ａ ｎ ｔ
ｐ ｏ ｅ ｏ ｄｉｉ ｅ ｔ ｅ ｗｏ ｋ ｎ ｒ ｃ ｓ ｆｔ ｅ ｄ ｉｅ ｓ ｓｅ ｉ ｔ ｉ ｒｓｄ ｒｎｇｏ ｅ ｚｇ ａ ｌ ｎｇ ｐ ｔ ｃ ｏ ｄ— ｒ ｐ ｒｔ ｖ ｄ ｈ ｒ ｉ ｇ ｐ ｏ ｅ ｓｏ ｈ ｒｖ ｙ ｔ ｍ ｎ ｏ ｓｘ ｐａ ｔ ｕ ｉ ｎ ｉ ｚ ｇ ｇ ｉ ｄｉ ａｈ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｂｔｉ ｅ ｐ ａ ｅ ｒ ｎ ｆ ｒ ａｉ ｎ ｃ ａ ａ ｔ ｒ Ｔｈ ｏ ｇ ｈ ｉ ｎ ｏ ｔ ｅ ｏ ａｎ ｄ ｈ ｓ ｔａ ｓｏ ｍ ｔｏ ｈ ｒ ｃｅ ． ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｓｍｕｌｔ ｎ， ｈ ｃ ｕ ａｅ ｌ ｎ ｔ ｆｐｅ ｉｄ ａｉ ｏ ｔ ｅ ａ ｃ ｒ ｔ ｅ ｇｈ ｏ ｒｏ
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。
温差能水下滑翔机实验水池温度梯度的理论验证与实验
Ｊ ｃ ｌ ｄ Ｔ ， ＞
式 中： — —相 变温 度 ； ‘ ｃ — — 相变材 料 的 比热 ；
固相密 度／ 液相 密度 ／ 固相 导热 系数 ／ 液相 导热 系数 ／ （ ｋ ｇ・ ｍ ）（ ｋ ｇ・ ｍＩ ３ ） ［ ｗ・ （ ｍ・ ℃） ］ ［ ｗ・ （ ｍ・ ℃） ］
机具 有重 要意 义 。
图 １ 相 变 材 料 凝 固过 程
１ 水 池 所 需温 度 梯度 的 理论 分析
１ ． １ 相 变过 程模型 的建 立
水下 热滑 翔机 的相 变材料 储存 在 圆柱体 的水
平管 中。相变 材料 在储 能管 中的两种 主要状 态见 图１ 、 ２ ， 即 滑翔 机 下 潜 时 的凝 固过 程 与滑 翔 机 上 升 时 的融 化 过 程 。在 温差 能滑 翔 机 航 程 中 ， 圆管 容器 始终 暴露 在 海水 中 ， 管 内相 变 材 料 通 过器 壁 与海 水进 行热 交换 ， 获取 温差 能 。 建立 数学 模 型 ， 对相 变材 料进 行 以下假设 。 １ ） 相 变工 质为 纯物 质 ， 且 各 向 同性 。 ２ ） 相 变工 质 的 比热 、 潜 热 和密 度 等 物 理参 数 固相 和 液相之 间不 同 ， 且不 随温度 和压 力 而变化 。 ３ ） 相 变材 料 性 能 稳 定 ， 无性能退化 、 过 冷 和
（ 上 海 交通 大 学 海 洋 工程 国 家 重点 实验 室 ， 上海 ２ ０ ０ ２ ４ ０ ）
摘 要 ： 为使试验水池能为研究温差能水下运载器提 供稳定可靠 的实验环境 ， 根据 滑翔 机相变材料 相过 程变模型的数 值求解 ， 得 出实验水池 温度梯 度控制 目标 ， 并 以此 为 目标 设计 出一 套基 于西 门子 Ｓ ７— ２ ０ ０ Ｐ Ｌ Ｃ 的温度梯 度控制的实验台架 ， 实验表 明 ， 水 池在长度方向上有 １ ／ ３区域 可获得理想 的温度梯度 。 关键词 ： 温差能水下滑翔机 ； 实验水池 ； 温差梯度 ； Ｐ Ｌ Ｃ
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。
海洋水下滑翔机浮力调节系统的设计与实验
海洋水下滑翔机浮力调节系统的设计与实验刘雁集;马捷【摘要】目的提高海洋滑翔机浮力调节系统的可靠性,进一步降低系统功耗,设计气压与液压结合的低功耗浮力调节系统.方法基于理论分析确定系统的体积控制量,设计气压调节模块以保证高压油泵的正常工作与回油的顺利进行.利用有限元方法分析承压管路的可靠性,通过实验测试,验证浮力系统的响应性能.结果浮力系统的排油效率随着外压的增大而减小,2 MPa的压力会使出油率降低3％左右,同时功耗增加50％左右.在大气压力环境下,依靠系统内负压,400 s即可完成回油600 mL,完成上浮到下潜的转换.结论设计的浮力调节系统的气压调节装置能以较低的功耗保障主泵的正常工作,同时保障回油过程的通畅,满足海洋滑翔机对浮力调节的要求,可以应用于一般海洋深度的水下滑翔机.【期刊名称】《装备环境工程》【年(卷),期】2018(015)012【总页数】5页(P45-49)【关键词】水下滑翔机;浮力调节系统;气压增压;压力实验【作者】刘雁集;马捷【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】U674.83水下滑翔机作为一种航程远、续航能力强的水下航行器，已经被广泛应用于海洋探测。
经过多年的发展与完善，水下滑翔机已经发展出多种成熟的机型，如Slocum[1]、Seaglider[2]、Spray[3]、SeaExplorer[4]、海翼[5]、海燕号等[6]。
随着海洋探索的深入，对水下滑翔机的要求越来越高，要求更强的续航力与更深的下潜深度。
为提高续航力，Slocum Thermal滑翔机利用能量转换装置将温差能转换为机械能与电能驱动滑翔机运动[7]。
Seaglider通过加入合理的死区非线性环节间歇性地开启控制器降低系统能耗。
浮力调节系统是滑翔机的主要动力部件，其能耗约占系统总能耗的70%，合理降低浮力调节系统的能耗可以提高续航能力。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
生 固一 液相 变为 滑翔机 提供 动 力 。在弱 温 差层 中 ，
相 变过 程受 到阻 碍 ， 整 的相 变循 环遭 到破 坏 ， 完 无
建 立数 学模 型时 ， 对相 变材料 进行 以下 假设 。 １ ）相 变工 质为纯 物质 ， 且各 向同性 。
和温度 作 为变量 ， 对求 解 区域 建 立统 一 的 能 量方
程 。一维 圆柱体 的能 量表 示为
Ｏ Ｈ
１ 相 变材料 数 学建 模
相变 材料储 存在 圆柱体 的水 平管 中 ， 图 １ 见 。
收 稿 日期 ：０ ０—１ ２ ２１ １— ９ 修 回 日期 ：０ ０—１ ０ ２１ ２— ７
法 为水 下热 滑翔 机正 常工作 提供 足够 的动力 。水 下 热滑 翔机 在遭 遇 弱 温差 层 时 ， 般 通 过 两种 手 一
段 保证 弱 温差下 的相 变过 程 的完 整进 行 ： ①在 设
２ ）相变工质的比热 、 潜热和密度等物理参数 固相 和液相 之 间不 同 ， 且不 随温度 和压 力而 变化 。 ３ ）相 变材 料 性 能稳 定 ， 无性 能退 化 、 过冷 和
ｄ ÷ｒ Ｏ ｆ ｒ（ ｒ ＼ ） 旦’ ／ Ｊ。
＝
（ 、 １ ）
式中： ｚ 时间； ——
ｒ ——径 向坐标 ；
— —
相变 材料 的导 热率 ；
温度 ；
和 ，
基金项 目： 国家 自然科学基金 （ ０ １０ ） 飞（９ ５一） 男 ， １８ ， 硕士生 。
变 材料 在滑翔 循环 中的相变 过程 吸收海 洋热 能作 为能源 ， 其续 航 能力可 高达 ４— ５年 Ｊ 。 相 变材料 的熔 点介 于海水 顶层 温度 和底 层温 度之间， 在水 下热 滑翔机 滑翔 过程 中 ， 变材 料发 相
图 １ 相 变 材 料 水 平 管
在温差 能驱 动滑 翔 机 航程 中 ， 圆管 容 器 始 终暴 露
相
水 下滑翔 机 是一种 利用 浮力 驱动 的 自主式水 下 运 载 器 （ ｕｏ ｏ ｏ ｓ ｕ ｄ ｒａｅ ｅｉｌ ，Ａ — ａｔ ｍ ｕ ｎ ｅｗ ｔ ｖｈｃｅ ｎ ｒ ｓ Ｕ
Ｖ） ｓ 。水下 滑翔机 按 其 改变 浮 力 的动 力 来 源可 分 为 电力 驱动水 下 滑翔机 和温差 能 驱动水 下滑翔 机 （ 下热 滑翔 ） 。 电力 驱 动 的滑 翔 机 的航 行 时 水 … 间一般 为 ２ ０～３ ０ ｄ ， 水 下 热 滑 翔 机 利 用 相 ３ 而
研究方 向： 水下热 滑翔机
Ｅ ｍａｌｒｌ８ ＠ｓ ｕ ｅｕ ｃ － ｉ：ｆ９５ ｊ ． ｄ ．ｎ ｌ ｔ
日 ——体积焓 ， 变 材料 的显 热和潜 热 之 相
日 ：ｈ＋ｐ ｈ （） ２
８１
第 １期
船
海
工
程
第 ４ 卷 １
其 中 ： ｍ — 相变材 料 的潜热 ； ｈ—
一
此 当水 下热 滑翔 遭 遇 弱 温差 时 ， 从 两方 面 进 行 应 对策研 究 。
姗
分数 ＝
为 了便 于研 究 ， 入 临界 航 程 的 概念 作 为 判 引 断 的依据 。
临界航 程定 义 ： 某一 航程 深度 范围 内 ， 在 滑翔 机 的凝 固过程 中， 相变 工 质 刚好 全 部 转 化 为 固相 后就 开始熔 化 过程 ； 而熔 化 过 程 中相 变 工 质 刚好
过热 等现象 。 ４ ）热机 管 为 细 长 圆管 ， 略 轴 向 和 周 向传 忽
计 过程 中充 分考 虑 可 能 遭遇 的海 洋 温差 条件 ， 设 计 合理 的相 变材 料 储 存容 器 ； 在 水 下 热 滑翔 机 ② 遭遇 弱温差 层时 ， 对其 运动 参数进 行调 整 。因此 ，
可 以有 效 地 克 服 弱 温 差 层 下 水 下 热 滑 翔 机 性 能 的恶 化 。
关键词 ： 弱温差 ； 水下热滑翔机 ； 水平管半径 ； 纵向速度
中 图分 类 号 ：６ ３３ Ｕ ６ ． 文献 标 志 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ １７ ５ （０ ２ ０ －０ １０ １７ － ３ ２ １ ） １ ８ －４ ９ ０
第４ 卷 １
第 １期
船 海 工 程
Ｓ Ｐ ＆ ０ ＡＮ Ｅ ＨＩ ＣＥ ＮＧＩ Ｅ ＮＧ ＮＥ ＲＩ
Ｖｏ ． Ｎｏ １ ４１ ．１ Ｆ ｂ． ０１ ｅ ２ ２
２１ ０ ２年 ０ ２月
Ｄ １ １ ． ９ ３ ｊ ｉ ｎ １ ７ －９ ３ ２ １ ． ． ２ Ｏ ：０ ３ ６ ／ ． ｓ ． ６ １７ ５ ． ０ ２ 叭 ０ ３ ｓ
０＝０ （） ３
ｐ—— 相变 材料 的液相 密度 ； Ｌ
— —
显热 ，
ｆ ｄ ｃＯ ０ ｐ
弱 温 差 下水 下热 滑翔 机 参 数 对 相 变过 程 的影 响
任 龙飞 ， 马 捷
（ 上海交通 大学 海洋工程 国家重点实验 室， 上海 ２ ０４ ） ０ ２ ０ 摘 要： 在温跃 层强度较 低的弱温差层 中 ， 水下热滑翔机的相变材料 的相变过程会受到阻碍 ， 而影 响滑 从
翔机性 能。为 了保证水下热滑翔机能够正常工作 ， 通过对 滑翔机 的相变材料 的相 变过程 和临界航程进行数值 求解 ， 分析不同的水 平管半径 和纵向速度对 滑翔 机的性 能的影响 ， 出较小 的水平管半 径和较低 的纵 向速度 得
需 要分 析直 接 与相变过 程 相关 的水下 热滑 翔机机 体 参数 和运 动参 数 ， 究 这 些 参数 对 弱 温 差 下水 研 下热滑 翔 的相变 过 程 的影 响 ， 而得 出水 下 热滑 从 翔机 克服 弱温差 环境 的方法 。
热， 只考虑径向传热问题。 ５ ）容 器热 阻忽 略不 计 。 相变传 热能 量 方 程采 用 焓 法 模 型 ， 以 比焓 它