华中科技大学考生姓名陈刚考生学号T201189948系、年级研究生院类别硕士科目水波动力学理论与研究日期2012年5月12日水下滑翔器的水动力分析摘要：水下滑翔器是一种无外挂推进系统，仅依靠内置执行机构调整重心位置和净浮力来控制其自身运动的新型水下装置，主要用于长时间、大范围的海洋环境监测，因此要求其具有低阻特性和高稳定性。

文章主要从水下滑翔器水动力特性,纵剖面滑行时水动力特性计算和分析等方面对水下滑翔器的研究和设计提供理论参考。

关键词：水下滑翔器、水动力特性。

引言水下滑翔器 (AUG)是为了满足海洋环境监测与测量的需要，将浮标、潜标技术与水下机器人技术相结合，研制出的一种无外挂推进系统，依靠自身浮力驱动，沿锯齿型航迹航行的新型水下机器人。

AUG采用内置姿态调整机构和无外挂驱动装置，因此载体外置装置减少，避免了对载体线型的破坏，大大改善了载体的水动力特性。

AUG具有制造成本和维护费用低、可重复利用、投放回收方便、续航能力强等特点，适宜于大量布放，大范围海洋环境的长期监测。

AUG是海洋环境立体监测系统的补充和完善，在海洋环境的监测、凋查、探测等力面具有广阔的应用前景。

国内外现状1989 年，美国人Henry Stommel 提出了采用一种能够在水下作滑翔运动的浮标进行海洋环境调查的设想，这就是水下滑翔机器人的最初概念。

之后，美国开始了AUG 的研究与开发，自1995 年以来，在美国海军研究局的资助下，研制出SLOCUM( Battery) 、Sea glider 和Spray 等多种以二次电池为推进能源的水下滑翔机器人，以及以海洋垂直剖面的温差能作为驱动能源的Slocum 水下滑翔机器人。

此外，美国的Prinston 大学建造了一个AUG 试验平台，主要用于AUG 的建模和控制方法研究。

美国的Webb Research Corp 先后研制了Slocum Electric Glider 水下滑翔机器人和Slocum Thermal Glider 水下滑翔机器人，其中前者是一种高机动性、适合在浅海工作的水下滑翔机器人，而后者是一种利用海水热差驱动的水下机器人。

华盛顿大学研制的Sea glider 水下滑翔机器人能够在广阔的海洋中航行数千千米，持续时间可达6个月，最大下潜深度可达1 000m。

Sea glider 已经航行通过了阿拉斯加海湾和拉布拉多海的许多冬季风暴，能在目标位置进行垂直采样和测量。

Spray Glider 是美国的Scripps Institution of Oceanography 研制的水下滑翔机器人，它最初被设计用于深海海域调查，其最大下潜深度可达1 500m。

天线内置于滑翔翼中，在浮出水面时机身旋转90°，使有天线的一个滑翔翼垂直露出水面，然后就可以进行GPS 定位和卫星通信。

我国的水下滑翔机器人研究起步较晚，但近年来有多家单位开展了大量的技术研究工作。

其中以沈阳自动化研究所为代表研制的AUG 于2005 年10月成功进行了湖上试验，于2006 年通过验收，具有较高的技术水平。

天津大学和国家海洋技术中心联合研制的温差能驱动的海洋监测平台也成功进行实验。

此外包括沈阳工业大学在内的许多大学和研究所也于近年开展了水下滑翔机器人的相关研究并取得了很大的进步。

水下滑翔器水动力分析1.1水下滑翔器的受力分析我们可以通过水下滑翔机受到的力来分析水下滑翔机的运动机理。

在水下滑翔机上建立随体坐标系，原点取机体浮心，重力G在机体质量中心。

重心与浮心水平偏移量为d，水下滑翔机轴线与水平方向夹角为纵倾角θ，滑翔速度与水下滑翔机轴线夹角为攻角α，机体受到外界的沿机身轴线方向阻力D，垂直机身轴线向下的升力L以及相对原点的转矩M，坐标系和受力如图1所示。

图1水下滑翔器上浮下潜受力图水下滑翔机初始下潜、上浮运动和姿态调整过程是非定常的，而在下潜和上浮过程中是定常的，水下滑翔机处于平衡状态。

设水下滑翔机质量为m，俯仰转动惯量为J，仅在X—Z 平面内运动，其运动可以表示为：V=(V 1,0,V 3),Ω=(0,Ω,0)由于在匀速上浮过程，水下滑翔机所受合力和力矩为零，为此有：0/)(0/]cos )[(0/]sin )[(31=-∙=Ω==-∙-===-∙-==J M d G m L G F V z m D G F V xθθθ式中x是沿X 轴方向的加速度，z 是沿Z 轴方向的加速度，θ是旋转加速度。

因此：M d G L G F D G F =∙=∙-=∙-θθcos )(sin )(GM d L F G LD tg /cos //=-==→θθ1.2水下滑翔器的水动力分析马峥对水下滑翔机的运动和水动力学机理进行了初步的分析，在此基础上对水下滑翔机的外形进行了优化，优化后的水下滑翔机外形由主体、机翼和尾垂直舵构成，总长为1.5m ，除去尾舵后主体长1.2m 。

其中，中部为圆柱体，直径0.25m ，长0.625m ；头部为半椭球体，短半轴0.125m ，长半轴0.175m ；尾部为半椭球体，短半轴0.125m ，长半轴0.4m 。

机翼采用NACA0015翼型，弦长0.15m ，翼展1.0m 。

其中机身两边各翼展长0.375 m ，加上机身直径0.25 m ，总长为1.0m 。

机翼最大厚度为0.03m ，机翼最大厚度位置矩机翼头部0.0375 m ，最大厚度位置在机身正中(距离头部0.6 m)。

计算模型如图2所示。

水下滑翔器的计算模型示意图利用Fluent 软件对水下滑翔机的周围流场进行了模拟，由于雷诺数在10s 量级，低阻外形使得在来流均匀稳定情况下能够保证层流流动，故采用层流流动计算。

得到了水下滑翔机在速度分别为0.2m ／s ，0.4m ／s ，0.6m ／s 和0.8 m ／s 时在攻角00-200情况下的阻力、升力及对于浮心的俯仰力矩。

升力及俯仰力矩都是随速度增大单凋增大，随攻角增加也单调增大，如图3、图4所示。

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角的增加而增大；翼上摩擦阻力随攻角的增加基本保持不变；而艇体压阻力基本上是随攻角的增加而减少；翼上的压阻力除了来流速度0.8m／s时阻力随攻角增大呈现减少趋势外，其他来流速度下，随攻角增大呈现先增大后减小的趋势。

最大阻力在4。

攻角左右，这与总阻力随攻角变化的趋势大体相同。

说明翼上压阻力对总体的阻力变化趋势具有决定作用，为此机翼的设计将对提高水下滑翔机滑翔效率具有重要作用。

为了进一步了解机翼的压阻力随来流速度及攻角的变化规律，结合翼剖面的流动状态进行了分析。

V=0．2 m／s时展向位置2=0.15 m的翼剖面流动结构及压力分布如图7所示。

从流线和压力云图可以看到，机翼首部由于流速迅速减小而形成高压区，而机翼侧面由于流线的弯曲效应形成低压区。

当攻角较小时，由于机翼侧面靠前部分由于流线弯曲强烈压力较低，而随着攻角增大，机翼尾部旋涡增大使得流线逐渐平缓，机翼侧面靠前低压区减小，压力也逐渐增高，使得机翼压阻力逐渐增大；当攻角超过4。

时，尾部涡对出现，流体强烈的掺混逐渐明显，随着攻角增大，机翼侧面靠后部分压力逐渐增高而接近外界环境压力，致使机翼压阻力呈现减小趋势。

但当来流速度较大时(0.8 m／s)，尾部涡对在很小攻角时就开始出现，使得机翼压阻力随攻角增大总体上呈现衰减趋势。

通过对水下滑翔机滑翔过程中的水动力特性的分析，总体上掌握了水下滑翔机运动及水动力学机理,得到了影响滑翔姿态的关键因素，并从做功的角度提出了评价滑翔效率的目标函数。

这将对水下滑翔机自航模型外形设计、机翼设计及布置、内部机构布局、进排水及质量滑块的调节量以及占用空间等方面的设计提供重要的参考。

纵剖面滑行时的水动力分析2.1网格划分和数值方法水下滑翔机有侧翼和尾翼，为提高计算精度和效率，采用结构化网格的有限体积法求解定常NS方程。

用层流模式，采用基于SIMPLE算法的压力修正方法，对流项用SMART格式离散，扩散项用中心差分格式离散，直角坐标系原点距头部1／5处，石轴与机身的对称轴重合，方向与来流方向一致，Y轴竖直向上，z轴水平。

图1是计算网格，机身和机翼分块划分网格，求解域的范围是：-2.5l≤x≤41，-2l≤y≤2l，0≤z≤2l，l是模型的长度。

求解域的边界包含人流面、出流面、对称面、物面和轴边界。

由于机身上与下、左与右是对称的，为节省计算机内存，在计算沿纵剖面运动时，采用左半部分进行计算，计算单元942016个。

计算网格基本方程：N-S 方程：u v p f u u t u21(∇+∇-=∇∙+∂∂ρ）连续性方程：0=∙∇u基本参数及边界条件：入流面由位于x ／l=-2处的半圆和外半圆柱面y<0部分组成，出流面由位于x ／l=4处的半圆和外半圆柱面y>0部分组成。

边界条件的给法是：在入流面上给定流动的速度分量，压强通过外插确定。

在出流面上所有量的法向导数为0，压强通过外插确定。

其中通过压力修正保证总体质量守恒。

在物面上速度分量为0，压强通过外插确定。

在对称面上，法向速度分量为0，平行于对称面的速度分量的法向导数和所有标量的法向导数为0。

在轴边界上所有量先通过外插确定，然后对位于轴上同一位置的同一变量算术平均。

计算雷诺数为42 500，计算攻角分别为00，50，100，150，200，250，300。

收敛准则是所有求解变量的无量纲残差下降3个量级，升力系数、阻力系数和力矩系数在100步内相对误差小于1％。

2.2流场的速度分布和压强系数分布随着攻角变化，速度场和压强场也发生相应的变化，图3～图6为水下滑翔机直航时以不同攻角下潜过程中的压强系数分布图，从压强系数分布图可以看出，00攻角时机身上下2部分的压强分布是对称的，因此此时的升力系数为0。

随着攻角的增大，机身下半部分尤其是头部的压强逐渐增大，升力也逐渐增大。

由于升力产生的位置主要在头部，因此，调整重心位置的机构放置在头部附近可以有效地调整水下滑翔机的运动姿态。

图1 00攻角时的压强系数分布 图2 100攻角时的压强系数分布图3 200攻角时的压强系数分布 图4 300攻角时的压强系数分布2.3升阻力系数及力矩随攻角的变化规律 升力系数的计算公式为2/2S u L C L ∞=ρ，阻力系数的计算公式为2/2S u D C D ∞=ρ，力矩系数的计算公式为2/22Sl u M C Z M ∞=ρ，式中：ρ为水的密度；u ∞为入流速度；S 为原点处垂直于轴向的截面面积；l 为机身长度；L 为升力；D 为阻力；M Z 为对原点的力矩。