尺度水下滑翔機(jī)的機(jī)翼設(shè)計(jì)與水動力分析

（2）i（2）i3）#2.4根梢比計(jì)算而由于平板翼的特殊性，不能根據(jù)傳統(tǒng)的NACA翼型公式計(jì)算根梢比。得知最佳根梢比的范圍為?8【8］,因此可采用列比法，對每種根梢比模型建模計(jì)算，對比得出最佳根梢比。經(jīng)過計(jì)算后的展弦比如7圖所示，可以看出根梢比對比情況和小展弦比對比情況相似，故選取根梢比7。2.5安裝位置結(jié)果對比選取安裝位置35%~60%的五個模型進(jìn)行FLUENT仿真，結(jié)果如圖8所示,通過圖8可以看出安裝位置為52%的模型的平均升阻比較高，尤其在小攻角下具有較好的水力性能，故確定安裝位置為模型長度5的2%。后掠角與升阻比關(guān)系圖7根梢比與升阻比關(guān)系圖64.54.03.53.035后掠角與升阻比關(guān)系圖7根梢比與升阻比關(guān)系圖64.54.03.53.0354045505560機(jī)翼安裝位置距頭部百分比/%圖8安裝位置與升阻比關(guān)系3參數(shù)驗(yàn)證得知一種水下滑翔機(jī)的翼型參數(shù)［9］如表2模型1，模型2為本文設(shè)計(jì)翼型，對比兩種模型在相同仿真條件下的穩(wěn)定時間可確定較好的模型設(shè)計(jì)。表2參數(shù)對比L丫02nH模型140%1838180模型252%1827168所設(shè)計(jì)試驗(yàn)用滑翔機(jī)排水量為4.3kg,設(shè)計(jì)最大速度0.3m/s。當(dāng)分析滑翔機(jī)在縱平面內(nèi)的運(yùn)動時，滑翔機(jī)所受的水動力可以描述為：、DOD/1>3<Lq（K+Ka）DOD/1>3<Lq（K+Ka）\v2+v2/L0L1/3Mq（K+Ka）Vv2+v2IDL2M0M136)Re為雷諾數(shù)，CM1、CM2、CM3為水動力矩系數(shù)，Kx是相應(yīng)的常量系數(shù)。根據(jù)FLUENT計(jì)算結(jié)果按照公式(6)擬合出相應(yīng)模型的常量系數(shù)如表3所示。表3參數(shù)對比KKD0Kkl0Kkm0LL0原模型100.134610-40新模型15.420.197730-3.680在上文建立的動力學(xué)模型基礎(chǔ)上利用LQR仿真方法在MATLAB中對滑翔機(jī)進(jìn)行仿真，仿真過程為滑翔機(jī)0.3m/s的速度從給定滑翔角30°?30°的動態(tài)過程，比較其達(dá)到平衡時間所需時間，結(jié)果如圖。從結(jié)果可以看出，模型1達(dá)到穩(wěn)定時間為30s,模型2達(dá)到穩(wěn)定時間為40s,新設(shè)計(jì)模型縮短了震蕩時間，證明了所設(shè)計(jì)模型參數(shù)的可行性。

(a)模型1穩(wěn)定圖像(b)模型2穩(wěn)定圖像圖9仿真對比圖根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)制作了試驗(yàn)用滑翔機(jī)平板機(jī)翼，并對設(shè)計(jì)機(jī)翼模型進(jìn)行了水下滑行檢測(見圖10)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)在安裝了平板機(jī)翼的情況下，滑翔機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，在水中能夠縮短達(dá)到穩(wěn)定所需的時間，保證了水下滑翔機(jī)的動力穩(wěn)定性。特別是針對實(shí)驗(yàn)尺度滑翔機(jī)在空間有限制的情況下，所設(shè)計(jì)的平板翼能夠使滑翔機(jī)快速平衡，起到了良好的作用。(a)滑翔機(jī)檢測臺(b)滑翔機(jī)水下運(yùn)行圖圖10平板翼滑翔機(jī)實(shí)體圖4結(jié)論本文針對實(shí)驗(yàn)用小型水下滑翔機(jī)水平平板翼型參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)分析并利用FLUENT軟件計(jì)算了設(shè)計(jì)模型的相應(yīng)水動力參數(shù)，經(jīng)過對比分析，得出合適的翼型參數(shù)，并進(jìn)行了整體動力學(xué)仿真。結(jié)果表明：實(shí)驗(yàn)對比的結(jié)果證明本文采用的平板翼設(shè)計(jì)方法、參數(shù)選取是可靠的。水下滑翔機(jī)機(jī)翼有眾多參數(shù)，本文通過分析翼型水動力參數(shù)和工程設(shè)計(jì)總結(jié)出五個變量，能夠減少滑翔機(jī)平板翼設(shè)計(jì)的工作量同時又可以保證一定的精度。本文通過模擬得出了一組適用于水下滑翔機(jī)水平平板翼型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)對，平板翼滑翔機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。參考文獻(xiàn)：MitchellB,WilkeningE,MahmoudianN.DevelopinganUnderwaterGliderforEducationalPurposes[C]//RoboticsandAutomation(ICRA),2013IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2013:3423-3428.LeonardNE,GraverJG.Model-basedFeedbackControlofAutonomousUnderwaterGliders[J].IEEEJournalofOceanicEngineering,2001,26(4):633-645.SeoDC,JoG,ChoiHS.PitchingControlSimulationsofanUnderwaterGliderusingCFDAnalysis[C]//OCEANS2008-MTS/IEEEKobeTechno-Ocean.IEEE,2008:1-5.ZhangF,ThonJ,ThonC,etal.MiniatureUnderwaterGlider:Design,ModelingandExperimentalResults[C]//RoboticsandAutomation(ICRA),2012IEEEInternationalConferenceon.IEEE,2012:4904-4910.ByrelMitchell,EricWilkening,NinaMahmoudian.DevelopinganUnderwaterGliderforEducationalPurpose[C].2013IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation(ICRA)Karlsruhe,Germany,May6-10,2013.孫啟.水下熱滑翔機(jī)的運(yùn)動控制和姿態(tài)調(diào)和].上海：上海交通大學(xué)2013.⑺胡克俞建成張奇峰水下滑翔機(jī)器人載體外形設(shè)計(jì)與優(yōu)化].機(jī)器人2005,27(2):108-117.葉效偉.水下滑翔機(jī)設(shè)計(jì)、優(yōu)化及運(yùn)動模擬D].上海：上海交通大學(xué)2013.谷海濤林揚(yáng)，胡志強(qiáng)等.基于代理模型的水下滑翔機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)優(yōu)化方法]?機(jī)械工程學(xué)報(bào)2009,