长航程水下滑翔机的减阻技术研究

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1、天津大学硕士学位论文长航程水下滑翔机的减阻技术研究StudyondragreductiontechnologyofLong-voyageunderwaterglider学科专业：机械工程研究生：张帅指导教师：张连洪教授企业导师：孙秀军副研究员天津大学机械工程学院2017年12月摘要水下滑翔机（Autonomousunderwaterglider,AUG）是一种新型的水下航行器，其广泛应用于海洋探测与观测领域。然而随着海洋研究深度和广度的不断扩大，人们对海洋设备的下潜深度和续航能力提出了更高的要求，长航程水下滑翔机应运而生。长航程水下滑翔机的关键在于，在采用大容量电池

2、的同时，节能降耗。而减小滑翔机阻力是实现其节能降耗的重要途径。为此，本文对水下滑翔机减阻技术进行了研究，以期为提高水下滑翔机航程提供技术基础。首先，介绍了水下航行器的减阻技术及其发展现状。利用计算流体动力学（CFD）方法分析了滑翔机不同速度和不同攻角下的水阻力，指出了目前水下滑翔机整体水阻力系数偏大，摩擦阻力为主，压差阻力明显的特征。根据其压力分布、速度流场、湍流动能和表面剪切应力给出了针对滑翔机不同局部需要采取不同减阻技术的结论。本文将阻力、阻力系数和减阻率作为滑翔机减阻效果的评价指标。其次，研究了水下滑翔机水动外形减阻、沟槽减阻和超疏水减阻技术。在外形减阻方面，

3、对不同长径比、不同线型和同一线型不同参数的模型进行仿真分析，确定了使用前后导流罩长径比均为1.875，整体长径比为10.825，头部参数为2，尾部半包角参数为25°的Myring曲线作为长航程水下滑翔机的外形曲线，可以实现6.5%的减阻效果。在沟槽减阻方面，通过仿真分析比较了半圆形、矩形和对称“V”形三种不同形状沟槽的减阻效果；研究了对称“V”形沟槽特征尺寸h+和s+、沟槽顶部角度和沟槽布置方向对其减阻效果的作用规律。确定了在长航程水下滑翔机机翼上布置深度为0.487mm，宽度为0.709mm，顶部角度为70°，沟槽布置方向与来流方向夹角40°的对称“V”形沟槽，经

4、仿真分析可以实现2%的减阻效果。在超疏水减阻方面，有两种方法可以实现。经过滑翔机水池拖拽试验，证明了疏水涂层漆具有4%~9%的减阻效果，但漆料涂敷不稳定容易脱落。经过仿真证明，镀层超疏水表面在滑翔机上可以实现7%~9%的减阻效果；经试样耐压、耐温盐和耐时性测试，证明其稳定性良好。通过落体试验求得试样阻力系数，对比通过设置滑移速度进行仿真求得的阻力系数误差为3%~5%，故上述对滑翔机超疏水表面仿真结果有效。最后综合三种减阻技术，提出一种最优的可靠的长航程水下滑翔机综合减阻方法，即长航程水下滑翔机整机采用限定条件下的最佳Myring型外形减阻，平板机翼采用沟槽减阻，铝合

5、金耐压舱采用超疏水镀层减阻，经仿真其最终可以实现整体13.1%的减阻效果。III关键词：外形减阻，沟槽减阻，超疏水减阻，综合减阻，边界滑移，计算流体动力学（CFD）IVABSTRACTAutonomousunderwaterglider(AUG)isanewkindofunderwatervehicle,whichiswidelyusedinthefieldofoceanexploration.However,withthedepthandbreadthofmarineresearchcontinuingtoexpand,peopleputforwardhigher

6、requirementsfordivingdepthandenduranceofmarineequipment.ThekeyoftheLong-voyageunderwaterglideristosaveenergyandreduceconsumptionbesidesusinglargecapacitybattery.Reducingthedragofthegliderisanimportantwaytosaveenergyandreducetheconsumption.Therefore,thedragreductiontechnologyofunderwate

7、rgliderisstudiedinthisdissertationtoprovideatechnicalbasisforimprovingthevoyageofunderwaterglider.Firstly,thedragreductiontechnologyanditsdevelopmentstatusofunderwatergliderareintroduced.Atthesametime,computationalfluiddynamics(CFD)methodisusedtoanalyzethewaterresistanceofglidersatdi