尺度水下滑翔机的机翼设计与水动力分析

（2）i（2）i3）#2.4根梢比计算而由于平板翼的特殊性，不能根据传统的NACA翼型公式计算根梢比。得知最佳根梢比的范围为〜8【8］,因此可采用列比法，对每种根梢比模型建模计算，对比得出最佳根梢比。经过计算后的展弦比如7图所示，可以看出根梢比对比情况和小展弦比对比情况相似，故选取根梢比7。2.5安装位置结果对比选取安装位置35%~60%的五个模型进行FLUENT仿真，结果如图8所示,通过图8可以看出安装位置为52%的模型的平均升阻比较高，尤其在小攻角下具有较好的水力性能，故确定安装位置为模型长度5的2%。后掠角与升阻比关系图7根梢比与升阻比关系图64.54.03.53.035后掠角与升阻比关系图7根梢比与升阻比关系图64.54.03.53.0354045505560机翼安装位置距头部百分比/%图8安装位置与升阻比关系3参数验证得知一种水下滑翔机的翼型参数［9］如表2模型1，模型2为本文设计翼型，对比两种模型在相同仿真条件下的稳定时间可确定较好的模型设计。表2参数对比L丫02nH模型140%1838180模型252%1827168所设计试验用滑翔机排水量为4.3kg,设计最大速度0.3m/s。当分析滑翔机在纵平面内的运动时，滑翔机所受的水动力可以描述为：、DOD/1>3<Lq（K+Ka）DOD/1>3<Lq（K+Ka）\v2+v2/L0L1/3Mq（K+Ka）Vv2+v2IDL2M0M136)Re为雷诺数，CM1、CM2、CM3为水动力矩系数，Kx是相应的常量系数。根据FLUENT计算结果按照公式(6)拟合出相应模型的常量系数如表3所示。表3参数对比KKD0Kkl0Kkm0LL0原模型100.134610-40新模型15.420.197730-3.680在上文建立的动力学模型基础上利用LQR仿真方法在MATLAB中对滑翔机进行仿真，仿真过程为滑翔机0.3m/s的速度从给定滑翔角30°〜30°的动态过程，比较其达到平衡时间所需时间，结果如图。从结果可以看出，模型1达到稳定时间为30s,模型2达到稳定时间为40s,新设计模型缩短了震荡时间，证明了所设计模型参数的可行性。

(a)模型1稳定图像(b)模型2稳定图像图9仿真对比图根据设计参数制作了试验用滑翔机平板机翼，并对设计机翼模型进行了水下滑行检测(见图10)，根据实验可发现在安装了平板机翼的情况下，滑翔机运行平稳，在水中能够缩短达到稳定所需的时间，保证了水下滑翔机的动力稳定性。特别是针对实验尺度滑翔机在空间有限制的情况下，所设计的平板翼能够使滑翔机快速平衡，起到了良好的作用。(a)滑翔机检测台(b)滑翔机水下运行图图10平板翼滑翔机实体图4结论本文针对实验用小型水下滑翔机水平平板翼型参数进行了设计分析并利用FLUENT软件计算了设计模型的相应水动力参数，经过对比分析，得出合适的翼型参数，并进行了整体动力学仿真。结果表明：实验对比的结果证明本文采用的平板翼设计方法、参数选取是可靠的。水下滑翔机机翼有众多参数，本文通过分析翼型水动力参数和工程设计总结出五个变量，能够减少滑翔机平板翼设计的工作量同时又可以保证一定的精度。本文通过模拟得出了一组适用于水下滑翔机水平平板翼型设计的经验参数对，平板翼滑翔机的设计具有一定的借鉴意义。参考文献：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.孙启.水下热滑翔机的运动控制和姿态调和].上海：上海交通大学2013.⑺胡克俞建成张奇峰水下滑翔机器人载体外形设计与优化].机器人2005,27(2):108-117.叶效伟.水下滑翔机设计、优化及运动模拟D].上海：上海交通大学2013.谷海涛林扬，胡志强等.基于代理模型的水下滑翔机机翼设计优化方法]•机械工程学报2009,