温差能-电能复合动力水下滑翔机系统设计与性能分析 (1)

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1、天津大学博士学位论文温差能-电能复合动力水下滑翔机系统设计与性能分析SystemDesignandPerformanceAnalysisofThermal-ElectricHybridPowerUnderwaterGlider学科专业：机械工程研究生：杨亚楠指导教师：王树新教授天津大学机械工程学院2017年5月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的

2、任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日中文摘要中文摘要水下滑翔机是一种利用浮力驱动并以“锯齿形”轨迹运动的自治式水下航行器，具有续航力强、噪音小、成本低等优点，在海洋观

3、测领域具有广阔的应用前景。本文提出了一种既能俘获并转化海洋温差能又能直接使用电池电能实现浮力驱动的新型水下滑翔机，温差能-电能复合动力水下滑翔机(Thermal-ElectricHybridPowerUnderwaterGlider,TEG)。复合动力水下滑翔机兼具温差能驱动滑翔机与电能驱动滑翔机的优点，温差能驱动方式可减少系统电能消耗；电能驱动方式可提高系统的循环稳定性与环境适应性。针对复合动力水下滑翔机研制过程的关键问题，本文提出了水下滑翔机统一航程公式，建立了温差能驱动数学模型，重点研究了配置参数、航行控制参数、温度条件对温差驱动性能、滑翔机续航力的影响，本文

4、主要研究成果和创新点为：1.提出了一种基于航程公式的水下滑翔机配置参数分析方法。论文基于水下滑翔机的能量传递与转换过程，提出了适用于不同动力形式水下滑翔机的统一航程公式，基于航程公式，论文推出了水下滑翔机配置参数约束关系式，得出了复合动力滑翔机续航力随配置参数变化的规律，为设计阶段的参数配置工作提供了重要支撑；2.基于相变传热理论与温差能浮力驱动原理，构建了模拟水下滑翔机热循环过程的温差能驱动数学模型。本文模型以压力值关联浮力驱动单元储能过程与材料相变过程，考虑了压力、温度条件对相变材料热物性参数的影响以及相变材料体积变化对计算单元节点位置的影响，可较为准确地反映水

5、下滑翔机的温差能浮力驱动过程。模型对建立同类固-液相变模型具有指导意义；3.提出了以改善温差驱动性能、提升续航力为目标的复合动力水下滑翔机航行控制参数组合方案与潜航海域温度条件需求。基于温差能驱动数学模型，研究了恒定温度条件对驱动过程的影响；以水下滑翔机纵垂面动力学方程、海洋温度剖面方程关联滑翔机运动循环与热循环过程，开展航行控制参数、温度剖面条件对复合动力滑翔机温差驱动性能与续航力影响的研究为复合动力滑翔机海试航行控制与性能预报提供了理论指导；4.研制出首台温差能-电能复合动力水下滑翔机工程样机，开展了一系列试验，检验了各功能单元与样机的功能实现性、工作可靠性；验

6、证了理论模型的正确性、有效性。长航程比测试验结果表明复合动力水下滑翔机相比“海燕”电能驱动水下滑翔机有更好的能耗经济性。关键词：水下滑翔机，复合动力，海洋温差能，系统设计，性能分析IABSTRACTABSTRACTUnderwatergliderisatypeofautonomousunderwatervehicle(AUV)drivenbybuoyancyandcruisingintheoceanalongsawtoothtrajectories.Duetoremarkablehighendurance,longrange,lownoiseandlesscost,

7、underwaterglidershaveabroadapplicationprospectinthemarineobservation.Anewtypeofunderwaterglider,Thermal-ElectricHybridPowerUnderwaterGlider(TEG),ispresentedinthethesis.TEGintegratesthethermal-drivensystemandelectric-drivensystem,realizingbuoyancy-drivenbytransformingoceanthermalenerg