水下滑翔机外形设计与水动力计算

水下滑翔机是一种不依靠外部推进装置的水下自主航行器,它通过改变净浮力和浮心位置进行运动,因此要求其具有优良的水动力性能。本文介绍实验室所研制的水下滑翔机的外形设计,对水下滑翔机斜航运动与定常回转运动水动力进行数值计算,并实施拖曳试验,其计算结果与试验结果吻合较好。同时,在湖泊试验中水下滑翔机相继完成了多组锯齿运动和螺旋下潜运动,进一步验证水动力计算结果的准确性,满足工程应用的要求,其结果对水下滑翔机的设计具有一定的指导和借鉴意义。     

基于CFD的水下滑翔机水动力导数计算

水动力导数求解是进行水下滑翔机操纵性能分析的基础,为了快速预报水下滑翔机的操纵性能,开展基于CFD方法的水下滑翔机水动力导数计算研究。选用约束模型试验作为水动力导数求解方法,并给出其CFD数值模拟方法;以SUBOFF潜艇模型为例,进行约束模型试验的CFD数值仿真和水动力导数计算。计算结果表明,CFD数值模拟方法可用于水下潜器的水动力导数计算。采用CFD方法对水下滑翔机的斜航试验、纯横荡和纯首摇运动进行数值模拟,并利用最小二乘法拟合仿真数据得到水下滑翔机的水动力导数,为操纵性能分析提供支撑。     

水下滑翔机垂直面动力学分析与仿真

水下滑翔机是一种依靠水动力和净浮力驱动的无外挂推进系统,具有能耗小、作业时间长的优点,主要应用于大范围、长时间、大尺度的海洋观测。本文针对在研的水下滑翔机原理样机,介绍基于CFX水动力计算软件的水动力计算方法,并采用最小二乘法辨识了滑翔机在垂直面作稳定滑翔运动时的水动力参数;分析水下滑翔机垂直面稳态运动时系统状态与控制量之间关系,并基于LQR控制方法设计水下滑翔机在垂直面作稳态滑翔运动时在不同俯仰角下的切换控制策略,仿真表明了这种控制方法的有效性。     

翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析

为了提高水下滑翔机的水动力性能,本文将航空航天领域先进的翼身融合布局引入到水下滑翔机外形设计中,并对其水动力性能进行研究与分析。首先,对比3种具有代表性的水下滑翔机常用壳体形状的几何参数,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（ CFD）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。     

翼身融合水下滑翔机外形设计与水动力特性分析

为了提高水下滑翔机的水动力性能,本文将航空航天领域先进的翼身融合布局引入到水下滑翔机外形设计中,并对其水动力性能进行研究与分析。首先,对比3种具有代表性的水下滑翔机常用壳体形状的几何参数,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(CFD)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。     

水下滑翔机滑翔运动的能量分析及水动力性能研究

水下滑翔机是一种新型水下无人潜航器,它通过改变自身的浮力在海中前进,续航时间可长达数月或一年.文中对水下滑翔机滑翔运动过程中的能量变化进行了分析,建立了上浮和下潜运动数学模型,通过数值计算方法对水下滑翔机不同速度和攻角下的水动力进行了计算和分析,可为水下滑翔机总体设计与运动控制提供参考.     

实验尺度无人水下滑翔机设计与试验

无人水下滑翔机是一种高效的水下机器人。实尺度滑翔机在一般水池内很难形成稳态的滑翔运动,不便于研究分析其动力学问题,因此设计一种实验尺度的水下滑翔机,详述滑翔机的设计、建模、控制与试验研究。首先,简述实验尺度滑翔机结构,利用CFD软件计算壳体的水动力参数。然后,根据机体的内部质量分布,建立滑翔机的动力学模型。最后,设计垂直剖面运动的线性二次型调节器(LQR)控制器与线性Kalman观测器,并在观察环节加入一定量的白噪声干扰。仿真结果表明,设计的控制器与观测器可在一定量干扰存在的情况下保证机体的正常运行。水池试验的结果表明,设计的滑翔机可在3 m水深范围完成稳态滑翔运动,并具有良好的稳定性及操纵性。     

水下滑翔机水动力外形研究综述

水下滑翔机是一种将传统的浮标技术与水下机器人技术相结合而研制成的新型自治水下机器人,具有作业时间长、航行距离大、建造和使用成本低等优点。水下滑翔机主要用于海洋环境长时间、大范围的实时监测,因此要求其具有优良的水动力性能。文章简要回顾了水下滑翔机的发展历程,重点介绍了其水动力外形方面的研究进展,并简要介绍了混合驱动和飞翼等概念在水下滑翔机上的应用研究,最后对水下滑翔机未来的发展趋势进行了展望。     

CFD动态网格技术在水下航行体非定常操纵运动预报中的应用研究

针对水下低速航行体非定常操纵运动中雷诺数及水动力系数随时间变化这一特点,文章采用基于动态网格技术的CFD数值方法对其进行运动模拟.通过对传统动态混合网格模型进行发展,提出了一种改进的动态混合网格模型,以此建立了非定常操纵运动数值预报方法.为验证所建立的数值预报方法对水下低速航行体操纵运动水动力的预报精度,并以带攻角均匀直航的滑行状态为研究对象,应用动网格技术对一典型水下低速航行体缩比模型主体及带附体的水动力进行了计算,结果与风洞模型试验结果吻合较好;文中进而将其应用于一水下滑翔机自航模非定常运动的预报,结果与试验符合较好,初步验证了动网格技术的应用能力和所建立的预报方法的有效性.文中的工作可以为水下航行体及其自航模非定常操纵运动的数值模拟提供基础.     

碟形水下滑翔机动态稳定性建模仿真研究

碟形水下滑翔机是一种新型水下滑翔机,由于其机身与机翼紧密连接在一起形成类飞碟的流线型,该线型具有全向运动特性,因此碟形水下滑翔机具有极高的灵活性。针对碟形水下滑翔机这一特征,利用多体动力学对碟形水下滑翔机原理样机三维定常运动过程进行仿真,分析其三维动态稳定性的特征;通过直线定常运动和直线滑翔过程中转向运动的轨迹仿真结果可以看出,碟形水下滑翔机的运动轨迹特征与常规水下滑翔机相同,证实设计的碟形水下滑翔机原理样机的可行性。     

水下滑翔机器鱼机构设计与运动性能分析

本文设计了一种具有仿生尾鳍的水下滑翔机器人混合驱动机构,通过内部质量块的平移、旋转、仿生尾鳍的偏置以及外部皮囊的伸缩可实现滑翔机器人的小半径三维螺旋运动。同时,建立了水下滑翔机器鱼的水动力学模型,得到了稳态螺旋运动方程,给出了俯仰调节机构质心位置、尾鳍角、横滚调节机构质心旋转角与转弯半径和垂直速度之间的关系,以及每种稳态螺旋运动所对应的输出变量初值的取值范围。所得结果表明,在俯仰调节、浮力调节、横滚调节和尾鳍驱动的共同作用下,水下滑翔机器鱼可以获得更小的转弯半径,因而机动性更好。所设计的水下滑翔机器鱼在河流和湖泊等环境的水质监测、水下柱形区域取样等领域具有潜在的应用价值。     

试验型水下滑翔机的动力学分析及实验

水下滑翔机是一种新型的无推进装置的水下运载器,它是由净浮力来驱动的,同时通过内部的直线驱动器来改变重心的位置以实现姿态的调节。对于大多数水下滑翔机,浮力机构是通过改变自身排水体积来实现的,文中介绍了一种变重量的水下滑翔机的设计、动力学分析以及实验过程,该浮力调节机构主要由单向水泵和三位五通电磁阀组成,最大下潜深度为30米。文中介绍了水下滑翔机的运动方程和动力学特性,并且给出了在稳定时刻的解,并且通过计算流体力学的方法对水下滑翔机的水动力特性进行了分析。仿真和实验结果证明了该水下滑翔机的可靠性及实用性。     

基于势流的水下滑翔机的飞行模拟器(英文)

Underwater gliders are recent innovative types of autonomous underwater vehicles (AUVs) used in ocean exploration and observation. They adjust their buoyancy to dive and to return to the ocean surface. During the change of altitude, they use the hydrodynamic forces developed by their wings to move forward. Their flights are controlled by changing the position of their centers of gravity and their buoyancy to adjust their trim and heel angles. For better flight control, the understanding of the hydrodynamic behavior and the flight mechanics of the underwater glider is necessary. A 6-DOF motion simulator is coupled with an unsteady potential flow model for this purpose. In some specific cases, the numerical study demonstrates that an inappropriate stabilizer dimension can cause counter-steering behavior. The simulator can be used to improve the automatic flight control. It can also be used for the hydrodynamic design optimization of the devices.     

翼身融合水下滑翔机运动仿真分析

针对回转体形状的水下滑翔机浅海水域滑翔能力弱的问题,以翼身融合水下滑翔机为研究对象,对其进行垂直面动力学模型的建立,并采用MATLAB/Simulink搭建运动模型仿真系统进行开环运动响应研究,分析执行机构的调节速度、浮力调节机构布局方式对水下滑翔机运动性能的影响,得到有利于浅海水域滑翔作业的解决方案;研究水下滑翔机系统输入对运动响应参数的影响程度和定量关系,分析水下滑翔机翼身融合水下滑翔机滑翔比与运动角度关系,得到小角度滑翔可充分利用大滑翔比优势适应浅海水域滑翔作业的结论。     

浮力驱动式水下滑行艇定区域运动研究

根据水下滑行艇三维运动模型,利用线性二次调节器方法设计出水下滑行艇定区域滑行控制方案,并对控制规律进行仿真计算验证,证实控制方法有效可行.该控制规律对于浮力驱动式航行体定区域滑行设计具有广泛的应用价值.     

浮力驱动式水下滑翔机姿态调节机构研究

浮力驱动式水下滑翔机对我国海洋勘探和国防建设有着重要的应用前景。本文介绍了水下滑翔机的工作机理,对某一滑翔机,重点设计了实现姿态调整的横滚控制组件和俯仰控制组件,同时提出总体布局的原则,并给出了滑翔机总体结构布局方案。对所设计的滑翔机的总体衡重参数和流体动力参数进行了计算,初步验证了总体设计方案的可行性,可以满足设计指标要求。     

水下滑翔机附加质量数值计算

水下滑翔机的附加质量对其运动状态影响较大,本文采用了Hess-Smith（面元法）方法编制了计算任意三维物体附加质量的程序,利用Gambit软件对水下滑翔机进行网格划分,计算出实验室所研制的水下滑翔机附加质量,同时利用CFD（Computational Fluid Dynamics）技术,结合动网格技术和UDF（User-Defined Function）,对水下滑翔机进行了PMM（Planar Motion Mechanism）试验模拟,并与Hess-Smith方法得到的结果进行对比,分析两者之间的特点和各自优势。