水下滑翔机垂直面运动研究

论文摘要

本文对水下滑翔机在垂直面内的运动进行了深入全面的研究。在利用滑翔机模型推导动力学方程和建立包含滑翔机外形参数的水动力模型的基础上,编制程序系统地分析了外形布局对水下滑翔机的主要工作状态—垂直面内的定常滑翔运动的影响,并通过数值求解运动方程对滑翔机的非定常运动进行数值仿真。本文的研究工作为水下滑翔机在初步设计阶段中预报性能提供了一种简单有效的方法。本文的研究内容可分为四个部分:建立符合实际的滑翔机概化模型,并以此为基础推导其在垂直面内的运动方程,通过运动方程进行运动效率分析并为后面的研究指明了方向;利用各种工程估算方法建立包含外形参数的水动力工程计算模型,但估算所需的基础的各部件水动力数据由流场数值模拟（CFD）直接计算得到;通过将已建立的水动力模型运用于垂直面稳定滑翔的平衡方程,系统地研究了外形参数对定常运动的影响;将水动力工程估算模型运用于运动方程,并利用四阶龙格-库塔法数值求解非定常运动的常微分方程组来讨论其在可能包含大攻角情况的非定常运动中的适用性,并模拟和分析水下滑翔机非定常运动的特性。由于水下滑翔机外形类似飞机,建立水动力模型时大量引用的飞行器设计中预报飞机气动特性的方法。由于滑翔机相关问题的雷诺数远小于飞机问题,为验证水动力模型的精度,本文利用商业CFD软件Fluent对滑翔机运动的流场进行数值模拟,并将数值计算的结果与水动力模型的估算结果进行比较。通过本文各方面的检验工作,可知水动力工程计算模型能够有效地用于水下滑翔机定常运动和非定常运动的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文工作
• 第二章 水下滑翔机动力学模型
• 2.1 水下滑翔机工作原理
• 2.2 动力学建模
• 2.2.1 坐标系
• 2.2.2 滑翔机概化模型
• 2.2.3 运动方程
• 2.3 效率分析
• 第三章 水动力模型的建立与验证
• 3.1 水动力模型概述
• 3.1.1 水动力分析
• 3.1.2 滑翔机模型
• 3.2 流场的数值模拟
• 3.2.1 数值模拟概述
• 3.2.2 翼剖面二维流场的数值模拟
• 3.2.3 机翼三维流场的数值模拟
• 3.2.4 机身三维流场的数值模拟
• 3.2.5 滑翔机三维流场的数值模拟
• 3.3 水动力工程计算模型
• 3.3.1 水动力模型建立方法说明
• 3.3.2 水动力模型的坐标系与参考点
• 3.3.3 单独机翼的水动力模型
• 3.3.4 单独机身的水动力模型
• 3.3.5 翼身组合体的水动力模型
• 第四章 水下滑翔机定常运动分析
• 4.1 平衡方程的求解
• 4.2 外形参数对定常运动的影响
• 第五章 水下滑翔机非定常运动数值模拟
• 5.1 附加质量的计算
• 5.1.1 机身的附加质量
• 5.1.2 机翼的附加质量
• 5.2 角速度引起的水动力
• 5.3 惯性矩阵
• 5.4 运动方程的数值求解
• 5.5 运动仿真算例
• 第六章 总结
• 参考文献
• 致谢