尺度水下滑翔机的机翼设计与水动力分析
水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究
Hydrodynamic analysis and optimization on the gliding attitude of the under water glider
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式中 x 是沿 X 轴方向的加速度 , z 是沿 Z 轴方向的加
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速度 ,θ是旋转加速度 。
因此
马冬梅 ,等 :水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究
705
( F - G) ·sinθ = D t gθ = D/ L ( F - G) ·co sθ = L → G = F - L / co sθ (2)
角增大呈现减少趋势外 ,其他来流速度下 ,随攻角增 角增大 ,机翼侧面靠后部分压力逐渐增高而接近外界
大呈现先增大后减小的趋势 。最大阻力在 4°攻角左 环境压力 ,致使机翼压阻力呈现减小趋势 。但当来流
右 ,这与总阻力随攻角变化的趋势大体相同 。说明翼 速度较大时 (0. 8 m/ s) ,尾部涡对在很小攻角时就开
图 5 不同速度下阻力随攻角变化曲线
为了分析阻力变化趋势以及在水下滑翔机各部 分阻力所占的比重 ,将计算结果中的阻力分解为艇体 摩擦阻力 、翼摩擦阻力 、艇体压阻力和翼压阻力 。结 果如图 6 所示 。
由图 6 中可以看出艇体摩擦阻力基本上是随攻
706
水 动 力 学 研 究 与 进 展 2007 年第 6 期
MA Do ng2mei , MA Zheng , ZHAN G Hua , YAO Hui2zhi
(China Ship Scientific Research Center , Wuxi 214082 , China)
混合驱动水下滑翔器滑翔状态机翼水动力特性
ｉ ｓ ＣＦ ｃ （ Ｄ）Ｔ ｅ ｏ ｏ ｏ ａ ｘ ｅ ｉ ｎ ｈ ｗｓｔ ａ ｌ ｅ ｅ ｃ ｅ ｃ ｓｍｏ ｔｓｇ ｉ ｃ ｎ ｌ ｆ ｅ ｃ ｄ ｂ ｈ ｈ ｒ ｅ ｇ ｈ ｗｈ ｌ ｈ ￣ｈ ｇ ｎ ｌ ｐ ｒ ｅ ｍｅ ｔ ｏ ｈ ｔ ｉ ｆ ｉ ｎ ｙ ｉ ｓ ｉ ｎ ｆ ａ ｔ ｉ ｌ ｎ ｅ ｙ ｔ ｅ ｃ ｏ ｄ ｌ ｎ ｔ ｉ ｓ ｇ ｄ ｉ ｉ ｙｎ ｕ ｅ
（ｃｏ ｌ ｆ ｃａｉａ Ｅ ｇｎ ｅｉｇＴａｊ ｎｖ ｒ ｔ，ｉ ｊ ０ ０ ２Ｃ ｉａ Ｓ ｈ ｏ ｏ Ｍｅｈ ｎｃｌ ｎ ｉｅｒ ， ｉ ｉ Ｕ ｉｅｓｙ Ｔａ ｉ ３ ０７ ，ｈｎ ） ｎ ｎｎ ｉ ｎｎ
Ａｂ ｔａ ｔ ｏ ｅ ｈ ｂｉ— ｒ ｅ ｎ ｅｗａ ｒ ｌ ｅ （ Ｇ） ｏ ｉｉｇｔｅａ ｖ ｎ ａ ｅ ｆ ｎ ｅ ｔ ｌ ｅ ｎ ｕｏ ｏ ｕ ｓ ｃ ：Ａ ｎ ｖ ｌ ｙ ｒ ｄ ｉ ｎ ｕ ｄ ｒ ｔ ｉ ｒ ＨＵ ｃ ｍｂｎｎ ｄ ａ ｔ ｓ ｄ ｒ ｅ ｇ ｉ ｒ ｄａ ｔｎ ｍｏ ｓ ｒ ｄ ｖ ｅ ｇｄ ｈ ｇ ｏ ｕ ｗａ ｒ ｄ ａ ｕ ｄ ｒ ａｅ ｅ ｉｌ （ Ｖ ａ ｂ ｅ ｒ ｐ ｓｄ ｉ ｔｉ ｐ ｐ ｒ Ｎ ｕ ｅ ｉａ ｉ ｕｌｔｏｎ ｈ ｓ ｂ ｎ ｃ ｄｕ ｔ ｄ ｔ ｎ ｅｓｉａｔ ｈ ｎ ｅｗ ｔｒ ｈ ｅ ＡＵ ）ｈ ｓ ｅ ｎ ｐｏ ｏ ｅ ｎ ｈｓ ａ ｅ ｍ ｒｃ ｌｓｍ ａ ｉ ａ ｅｅ ｏｎ ｃ ｅ ｏ ｉ ｖ ｔｇ ｅ ｔ ｅ ｖ ｃ
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翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析
Ｓｈａ ｐｅ ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎｄ ｈｙ ｄｒ ｏ ｄ ｙｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎａ ｌ ｙｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｂ ｌ ｅ ｎｄｅ ｄ － － ｗｉ ｎｇ － － ｂｏ ｄ ｙ ｕｎｄ ｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄｅ ｒ
数 ，选 用 扁 平 椭 球 体 作 为翼 身 融 合 水 下 滑翔 机 壳体 的基 本形 状 ；在 此 基 础 上 ，设计 出 翼 身 融 合 水 下 滑 翔 机 的 三 维 模 型 ； 最 后 ，采 用 计 算 流 体 力 学 （ Ｃ Ｆ Ｄ ）的 方 法 对 翼 身 融 合 水 下 滑 翔 机 进 行 仿 真 模 拟 并 分 析 其 水 动 力 性 能 ，结 果 表 明 ，采 用 翼 身 融 合 布 局 的水 下 滑翔 机 ，其 水 动 力 性 能 得 到 显 著 提 高 。
ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｂｌ ｅ ｎ ｄ ｅ ｄ － Ｗｉ ｎ ｇ － Ｂ ｏ ｄ ｙ（ Ｂ ＷＢ ） ｕ ｎ ｄ ｅ ｗａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ． Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｌ ｙ ， ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ａ ｔ
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水下滑翔机平衡式浮力驱动技术及其效率分析
水下滑翔机平衡式浮力驱动技术及其效率分析摘要：本文首先阐述了水下滑翔机的运动机理，然后分析了当前主流滑翔机小型化的原因，创新性的提出平衡式浮力驱动技术来解决水下滑翔机大驱动力的问题，扩大了水下滑翔机的运用领域。
并对其浮力驱动效率进行分析，结果表明当滑翔机机翼升阻比一定时，选择合适的滑翔角，能使其驱动效率达到最高，为水下滑翔机的设计奠定了基础。
关键词：水下滑翔机；浮力驱动效率；升阻比10 引言水下滑翔机(Autonomous underwater glider简称AUG)是一种小型可重复使用的水下航行器，几十公斤的体积重量却能在深海大洋中航行几千公里。
水下滑翔机之所以能以娇小的身躯完成穿越大洋的壮举，是依靠浮力驱动的结果。
浮力驱动主要特点是浮力可调和重心可变，这种简单低能耗航行原理是由美国海洋学家Henry Stommel[1]于1989年发现的。
一些生物学家推测，海豚正是由于具有类似的能力而能够在水下游相当长的距离。
在保证自身重量不变的前提下，通过改变排水体积，产生剩余浮力变化，结合高效的流体动力布局，将深度空间上重力或浮力势能，反复转化为前进的动能，通过锯齿状滑行，完成高效率的受控航行。
水下滑翔机一经发明就深受科学家和军方青睐，已获得了相当广泛的应用。
近几年国内有多家单位对水下滑翔机的浮力驱动系统进行研究，浮力驱动系统的安装位置和大小对水下滑翔机的工作能力有较大影响。
例如天津大学的“海燕”号滑翔机将浮力驱动系统布置在头部，提高了滑翔机的机动性，适用于浅海的测量任务；沈阳自动化研究所的“海翼”号滑翔机将浮力驱动系统布置在艉部，有利于滑翔机滑翔过程中的控制精度和稳定性，适用于深海大深度的观测任务[2]；“海燕”[3]和“海翼”[4]的重量都在60kg左右，其浮力改变量为±0.5L。
本文在参考国内外几大典型水下滑翔机设计方案的基础上，分析水下滑翔机小型化的原因，从研究水下滑翔机浮力驱动系统入手，创新性的提出平衡式浮力驱动技术来解决水下滑翔机大驱动力的问题，扩大了水下滑翔机的运用领域，并通过对水下滑翔机浮力驱动效率的分析，得出浮力驱动效率主要受滑翔角和升阻比的影响，为水下滑翔机的后续设计提供了重要参考。
水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析
第31卷第1期2009年1月舰 船 科 学 技 术SH I P SC I E NCE AND TEC HNOLOGY Vo.l 31,No .1Jan.,2009水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析王 冲,刘巨斌,张志宏,顾建农(海军工程大学理学院,湖北武汉430033)摘 要: 通过自编软件,采用结构化网格和有限体积法,对水下滑翔机以不同攻角直航时的流场动力学特征进行了数值计算,得到了水下滑翔机在不同攻角时的速度分布和压力分布。
分析了升力系数、阻力系数和力矩系数随攻角的变化规律,提出了有效控制滑行姿态的方案;分析了以不同最大攻角滑行时滑行路径和滑行效率,提出了最佳滑行攻角。
关键词: 水下滑翔机;数值模拟;升力系数;阻力系数中图分类号: TP24文献标识码: A文章编号: 1672-7649(2009)01-0134-03DO I :10 3404/j issn 1672-7649 2009 01 029Nu m erical research on dyna m ic characteristic of underwater glider when itruns in longitudinal sectionWANG Chong ,LIU Ju b i n ,Z HANG Zh i hong ,GU Jian nong (School of Science ,N avalU niversity of Engineeri n g ,W uhan 430033,Chi n a)Abst ract : The dyna m ic characteristic of under w ater g lider is calcu lated when it r uns i n long itud i n alsecti o n at d ifferent ang le o f attack in la m inar flo w by structured grid and FVM.The distribution regu l a rity of velocity and pressure at different angle of attack is obta i n ed .The m ethod to control the under w ater glider effective ly when it r uns stra i g h t is g iven by ana lyzing the la w of t h e lift coeffic i e n,t drag coefficient and m o m ent coefficen.t The best ang le o f attack is g i v en by analyzing t h e pathw ay and the effic iency when the under w ater g lider runs at different largest ang le of attack .K ey w ords : under w ater g lider ;num erica l research ;lift coeffic i e n;t drag coeffic i e n t收稿日期:2008-03-24;修回日期:2008-04-22基金项目:海军工程大学科研基金资助项目(HGD JJ 06005)作者简介:王冲(1973-),男,硕士,讲师,主要从事军用目标流体动力学特性的教学与研究。
水下滑翔机外形设计与水动力计算
文章编号 ： １ ６ ７ ２—７ ６ １ ９ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ３ —０ １ ０ ７ —０ ６
Ｃｏ ｎｆ ｉｇ ｕｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎｄ ｈ ｙ ｄｒ ｏ ｄｙ ｎａ ｍｉ ｃ ｐｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ｕｎｄｅ ｒ ｗａ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄｅ ｒ Ｙ Ａ ＮＧ Ｌ ｅ ｉ ， Ｃ ＡＯ Ｊ ｕ ｎ － ｊ ｕ ｎ ， ＹＡ Ｏ Ｂ ａ ｏ － ｈ ｅ ｎ ｇ ， Ｌ Ｉ ＡＮ Ｌ ｉ ａ ｎ
Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｆ ｏ ｒ ｅ ， ａ ｇ ｏ ｏ ｄ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎｃ ｅ ｉ ｓ ｅ ｘ ｔ ｒ ｅ ｍｅ ｌ ｙ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｔ ｏ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ． Ｔｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｉ ｆ ｇ ｕ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｗ ａ ｒ ｔ ｅ ｒ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ｂ ｙ ｏ ｕ ｒ ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｙ ｒ ｗａ ｓ ｄ ｅ ｓ ｃ ｉｂ ｒ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｈ ｙ ｄ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ａ ｍｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｇ ｌ ｉ ｄ ｅ ｒ ｉ ｎ ｌ ｉ ｎ ｅ ａ ｒ ａ ｎ ｄ ｔ ｕ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｙ ＣＦ Ｄ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ａ ｒ ｅ ｉ ｎ ｇ ｏ ｏ ｄ ａ ｇ ｒ ｅ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｗｉ ｈ ｔ ｔ ｈ ｅ ｔ ｏ ｗｉ ｎ ｇ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ． Ｆ ｕ ｒ －
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。
水下滑翔机系统设计与优化
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。
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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。
目前，实验尺度滑翔机主要有ROGUE 、GUPPIE 、SNU 及FISH-LIKE 等[1]。
N.E.Leonard, J.G .Graver [2]于ROGUE 研究了LQR 控制方法在滑翔机上的应用。
D.C. Seo, G .Jo [3]CFD 方法计算了SNU-Glider 的水动力参数，分析了俯仰姿态调节性能。
F.T.Zhang, J.Thon [4]立了FISH-LIKE 滑翔机动力学模型，计算了相关水动力参数，并进行了实验研究。
以上样机都没有对水平机翼进行特殊设计。
机翼是易耗品，加工成本越低越好[5]。
平板型滑翔机机翼具有设计加工简单，安装方便，可替换性强等优势。
目前国内外对滑翔机平板翼研究较少，没有一套成型的参数，研究平板型水下滑翔机机翼的参数设计具有较高的理论及实际意义。
1 模型设计要确定水平平板机翼的结构，需要确定图1(a)中所示的各项参数，参数的定义见表1。
若对每一个参数都进行对比分析会使计算数组大大增加，增加不必要的工作量，可通过研究参数关系对参数进行筛选。
经过分析可知机翼各参数之间有如下关系： 0101102()[()]2H b b S b b H b λη=+=+= （1）因此翼梢弦长、翼根弦长和展长三个参数中只需分析展长参数，并通过计算求出其他两个参数。
机翼前段后掠角χ0确定后，机翼后缘后掠角χ1随之确定，因此可省去χ1的分析。
L 、R 、a 是滑翔机主体参数，本文选取L为667mm ，R 为100mm ，a 为2mm 。
由于滑翔机的半径相对于展长较小，在计算中可以忽略。
综上所述，可将模型简化成图1(b)所示的模型。
由此确定滑翔机机翼主要设计参数为安装位置、展长、展弦比（λ）、根梢比（η）、后掠角（χ0）。
通过对不同模型计算出的升阻比关系进行对比，筛选出最优的参数。
图1 水下滑翔机机翼参数2 基于CFD 的模拟与模型计算本文的仿真软件基础为FLUENT ，滑翔机设计巡航速度为0.3m/s ，为低雷诺数情况，在计算时采用RNGk-epsilon 模型，湍流动能模型为二阶迎风模型，湍流耗散也采用二阶迎风模型三维双精度来进行计算。
2.1 平板翼模拟计算平板翼从-7°~7°攻角下的升力系数和阻力系数[6]，最终可以确定升阻比关系如图2所示。
平板翼由于厚度较小，与长宽比较大，其水动力性能较差，其表面出现水层分离的可能性较大，单独的平板翼升阻比在攻角在0°近时变化较小。
图2 机翼生阻比与攻角关系2.2 展弦比与翼展计算机翼的升力系数、阻力系数和展弦比有下面的关系[7]：()000()118.2i B C B ααλ=-+⋅ （2）01d d d C C C =+ （3）(a) 简化前参数 (b) 简化后参数攻角/deg20.5li F C S ρμ=（4）2l S λ= （5）式中，C i 为升力系数；B 0为当展弦比无穷大时，升力系数的变化曲率；α为水平迎角；α0为零升力迎角；C d 为水平翼阻力系数；C d 0为翼型阻力系数；C d 1为水平翼诱导阻力系数；λ为机翼的升阻比；F 为设计升力；S 为机翼面积；l 为翼展。
由图2可知，α0=-4.5°，根据式（2）和式（3），分别计算λ从1~8，α从1°~7°时的升阻比。
由图3可知，当展弦比为2，攻角为3时候的升阻比最大，此时机翼对应的升力系数和阻力系数为C i =0.406596747，C d =0.381342975。
本文设计的试验用滑翔机参数如表1所示，设计升力F =0.35N ，根据式（4）、式（5）计算得到L =0.16777m 。
图3 展弦比2时升阻比与攻角关系图2.3 后掠角计算根据2.2节结论，初步设计模型如图4所示，根据2.3对机翼升阻比对比知翼型在3°攻角下升阻比较大，在下面的仿真中选取模型在3°攻角下的情况进行对比。
对新模型在Fluent 中进行模拟，结果如图5所示。
图5(a)说明在滑翔机头部由于速度降低出现了驻点，而流域的壁面效应并没有影响到滑翔机周围水域，保证了计算结果的准确。
在下面的对比分析中采取同样的网格划分方式和边界条件。
图4 水下滑翔机模型图5 FLUENT 仿真云图在FLUENT 中选取后掠角为12°~36°的六组模型结果如图6所示，可以看出后掠角对升阻比的影响比较小，但是仍可以看出后掠角为18°时，模型的平均升阻比较高，故确定机翼后掠角为18°。
(b) 流域速度云图(a) 滑翔机表面压力图 攻角/deg2.4 根梢比计算而由于平板翼的特殊性，不能根据传统的NACA 翼型公式计算根梢比。
得知最佳根梢比的范围为5~8[8]，因此可采用列比法，对每种根梢比模型建模计算，对比得出最佳根梢比。
经过计算后的展弦比如图7所示，可以看出根梢比对比情况和小展弦比对比情况相似，故选取根梢比7。
2.5 安装位置结果对比选取安装位置35%~60%的五个模型进行FLUENT 仿真，结果如图8所示，通过图8可以看出安装位置为52%的模型的平均升阻比较高，尤其在小攻角下具有较好的水力性能，故确定安装位置为模型长度的52%。
图6 后掠角与升阻比关系 图7 根梢比与升阻比关系 图8 安装位置与升阻比关系3 参数验证得知一种水下滑翔机的翼型参数[9]如表2模型1，模型2为本文设计翼型，对比两种模型在相同仿真条件下的稳定时间可确定较好的模型设计。
所设计试验用滑翔机排水量为4.3kg ，设计最大速度0.3m/s 。
当分析滑翔机在纵平面内的运动时，滑翔机所受的水动力可以描述为：()()()()()()22201322013222013D D L L DL M M D K K v v L K K v v M K K v v ααα⎧≈++⎪⎪≈++⎨⎪≈++⎪⎩（6） Re 为雷诺数，C M 1、C M 2、C M 3为水动力矩系数，K x 是相应的常量系数。
根据FLUENT 计算结果按照公式（6）拟合出相应模型的常量系数如表3所示。
在上文建立的动力学模型基础上利用LQR 仿真方法在MA TLAB 中对滑翔机进行仿真，仿真过程为滑翔机0.3m/s 的速度从给定滑翔角-30°~30°的动态过程，比较其达到平衡时间所需时间，结果如图9。
从结果可以看出，模型1达到稳定时间为30s ，模型2达到稳定时间为40s ，新设计模型缩短了震荡时间，证明了所设计模型参数的可行性。
后掠角/deg机翼安装位置距头部百分比/%根梢比图9 仿真对比图根据设计参数制作了试验用滑翔机平板机翼，并对设计机翼模型进行了水下滑行检测（见图10），根据实验可发现在安装了平板机翼的情况下，滑翔机运行平稳，在水中能够缩短达到稳定所需的时间，保证了水下滑翔机的动力稳定性。
特别是针对实验尺度滑翔机在空间有限制的情况下，所设计的平板翼能够使滑翔机快速平衡，起到了良好的作用。
图10 平板翼滑翔机实体图4 结论本文针对实验用小型水下滑翔机水平平板翼型参数进行了设计分析，并利用FLUENT 软件计算了设计模型的相应水动力参数，经过对比分析，得出合适的翼型参数，并进行了整体动力学仿真。
结果表明：1）实验对比的结果证明本文采用的平板翼设计方法、参数选取是可靠的。
水下滑翔机机翼有众多参数，本文通过分析翼型水动力参数和工程设计总结出五个变量，能够减少滑翔机平板翼设计的工作量同时又可以保证一定的精度。
2）本文通过模拟得出了一组适用于水下滑翔机水平平板翼型设计的经验参数，对平板翼滑翔机的设计具有一定的借鉴意义。