波浪滑翔机推进装置翼片的启动阶段水动力学分析

波浪滑翔机直接利用波浪能实现大范围长距离的机动运动观测,在海洋环境观测中可以发挥重要的作用。本文对波浪滑翔机推进装置在启动阶段的翼片的水动力学行为进行了研究。以波浪滑翔机水下推进装置的翼片为研究对象,运用雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),对给定垂荡和摆动运动的翼片水动力学进行了水动力分析和仿真,模拟了单个翼片、纵向阵列多翼片的运动状况,得到推进装置翼片附近的压力分布和整体推进动力,分析翼片间距变化在启动阶段对推进力的影响作用。通过该研究工作为深入理解波浪滑翔机推进装置工作状态提供了理论依据。     

波浪能直接驱动机动浮标的推进机构设计

移动观测平台是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。遥控水下机器人(ROV)、自治水下机器人(AUV)等移动平台由于需要支持船只和能源供给的限制,影响了它们长时间和大范围使用。本文利用波浪垂荡运动设计一种新型波浪能驱动的机动浮标,该系统由水上浮体和水下推进机构两部分组成,利用波浪垂荡运动,推动水下推进机构叶片的摆动,引起水下推进机构在水平方向向前的升力,使水下推进机构以及水上浮体实现无外在能源供给的自主运动。本文设计制造了波浪驱动机动浮标的实验样机,并进行了海试。实验表明,在中等海况条件下可以实现机动浮标的无动力前进。该设计为海洋环境调查、海洋生态监测和溢油跟踪等提供了一种有效的移动监测平台。     

基于南海波浪要素的波浪滑翔机翼板参数优化设计与仿真

针对南海不同波浪要素条件下波浪滑翔机翼板参数设计的问题进行研究。基于欧洲中尺度天气预报中心大气和海洋全球再分析数据集(ERA5), 对南海不同季节以及台风经过时的波高波周期进行统计。并利用FLUENT软件研究南海不同波浪要素条件下翼板最大偏转角度、转轴位置以及翼板间距对波浪滑翔机水下翼板平均推力的影响。仿真结果表明, 波高越大, 翼板最大偏转角度也应相应增大, 才能保证翼板获得更大的推力; 在南海波浪要素条件下, 翼板转轴位置选取在翼板前端1/5处较佳; 适当增加翼板间距能够提高翼板获得的推力。通过对翼板被动摆动进行仿真, 得到了翼板在不同参数设置下产生的推力, 为波浪滑翔机翼板设计提供参考。     

基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术发展现状与展望

水下滑翔机作为一种新型海洋监测平台,具有大航程、长时序、高隐蔽性、低成本及通用性强的特点,是用于水下移动目标探测、海洋水文环境精细化测量的优势平台,在海洋勘测与探测、国家海洋安全、海洋环境监测体系建设中发挥着重要作用.详细梳理了基于水下滑翔机平台的海洋声学探测技术的国内外研究进展现状,展望了推动海洋声学探测未来发展的关...     

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台, 具有持续性、鲁棒性、自主性等特点, 是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开, 基于国内外海洋学文献综述研究, 重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续, 观测高分辨率、低成本的特点, 满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求; 鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测; 运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现, 国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。     

摆动尾鳍水动力性能的试验和数值研究

鱼类能够在水下高速度、低噪音、高效率地游动。鱼类出色的推进性能通过其摆动尾鳍实现。这种摆动尾鳍推进方式已经用在了水下无人航行器上。因此研究摆动尾鳍的水动力性能是非常有意义的。对摆动尾鳍的推进水动力性能进行了详尽的研究。设计、装配了一套仿尾鳍推进系统,并对其进行了相应的水动力试验。在试验中研究了运动参数对摆动尾鳍水动力性能的影响。与此同时,采用基于雷诺平均N-S方程的数值方法对摆动尾鳍的水动力性能进行了研究。在数值计算中采用了k-ωSST湍流模型和有限体积法。数值计算结果和水动力试验结果进行了比较。对尾鳍表面的压力分布和流场中的尾涡结构进行了分析。水动力试验和数值计算都表明摆动尾鳍可以产生推进力和较高的推进效率。     

基于水下滑翔机平台的湍流观测方法研究

海洋微结构湍流作为常见的海洋运动,对海洋中溶解质扩散、能量转移有显著作用,对海水运动及其温盐特性等有重要影响。作为低能耗、无动力的海洋观测平台,水下滑翔机具有噪声低、航时长,易回收等优点,使得长期不间断低成本观测湍流成为了可能。在本文中,从湍流观测原理的维度出发,研究分析滑翔机运动特性对湍流数据的影响;通过解析滑翔机在垂直面内运动方程,获得适合湍流观测的滑翔机运动参数;利用傅里叶变换从时域与频域分析了滑翔机的振动特性;最后通过海试,验证了基于水下滑翔机的湍流观测平台长时间不间断观测海洋湍流的能力。     

泵喷推进水下滑翔机尾舵设计及仿真分析

泵喷推进水下滑翔机是在传统浮力驱动型水下滑翔机基础上配置泵喷推进器发展而来的一种混合驱动型水下滑翔机。为了提高其机动性,泵喷推进水下滑翔机采用尾舵式结构设计方案。采用数值仿真方法,针对尾舵翼型、展弦比、后掠角、舵轴位置等相关参数开展研究,完成了尾舵水动力结构设计。利用动力学仿真方法,对比分析了泵喷推进水下滑翔机与同尺度下横滚式水下滑翔机的转向性能,仿真结果表明： 尾舵式结构的转向性能明显优于横滚式。     

基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制研究

水下滑翔机是开展海洋无人移动观测的重要平台,其实际航行轨迹往往与预设路径存在较大差异,多台水下滑翔机协同观测时,难以始终保持预设的组网阵列.本研究提出一种基于牛顿力学积分的水下滑翔机群协同控制算法,根据水下滑翔机群出、入水的异步性调节水下滑翔机入水前的运动参数.基于对水下滑翔机受力分析,利用牛顿力学积分还原水下滑翔机在...     

波浪驱动的水面波力滑翔机研究现状及应用

介绍一种基于波浪驱动的水面滑翔机,其通过单纯机械设计,将波浪能转化为波力滑翔机的前进动力,克服了常规滑翔机需要自带能源的弊端。同时,浮体上安装的太阳能电池为波力滑翔机的控制、通信系统提供电源,实现系统的长时间作业。文中首先概述了水面波力滑翔机的研究现状,然后以Liquid Robotics公司所研制的水面波力滑翔机为代表,介绍其组成、动力推进原理、动力学模型、通信及控制方式,接着介绍了水面波力滑翔机在海洋观测及通信中的应用,最后对水面波力滑翔机的发展做了总结与展望。     

基于水下滑翔机的湍流观测平台研究

海洋湍流混合过程对大洋热盐环流具有重要调控作用,因此海洋湍流混合特征量如湍动能耗散率等物理量的定量刻画,主要通过现场湍流观测来实现。为满足长期连续海洋湍流混合观测资料的迫切需求及打破国外的技术封锁,自行研制了基于水下滑翔机的湍流观测仪。为了测试滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性,将一个携带有剪切探头的湍流仪安装在滑翔机本体上,并在千岛湖进行了一系列的实验。滑翔机平台的主要噪声来源于浮力调节机构中的油泵,油泵会在接近剖面的底端时开启。三轴加速度谱在30 Hz左右有明显的谱峰,说明滑翔机油泵的振动频率应该是在30 Hz左右,在其他频率点上振动较小。由剖面下潜过程(开泵)的波数谱可知,开泵时虽然对湍流观测有影响,但是振动频率在波数空间中处于无效观测谱一侧,由此说明平台的振动对剪切信号影响很小。剪切探头测得的耗散率在10-7 W/kg量级上,且都与Nasymth理论谱吻合良好,验证了滑翔机在小尺度湍流观测方面的可行性。     

水下滑翔机器人系统研究

水下滑翔机器人是一种新型的水下机器人,可以作为水下监测平台用于大范围、长时间的大尺度海洋环境监测作业。文中调查了水下滑翔机器人的国内外发展现状,分析了其可能的应用领域。详细介绍了中国科学院沈阳自动化研究所开发的水下滑翔机器人系统,包括载体外形优化设计、载体结构设计和控制系统设计。分析了水下滑翔机器人定常滑翔运动和空间螺旋会转运动的运动性能。     

Underwater glider modelling and analysis for net buoyancy, depth and pitch angle control

Underwater glider is an autonomous underwater vehicle that glides by controlling their buoyancy and attitude using internal actuators. By changing the vehicle's buoyancy intermittently, vertical motion can be achieved. Characteristics of glider motion include upward and downward movement in a saw tooth pattern, turning and gliding in a vertical spiral motion and gliding without using thrusters or propellers. This paper presents the modelling and identification on net buoyancy, depth and pitching angle of an underwater glider system. A ballast tank subsystem is considered appropriate for the identification process since it is the main parameter for the motion control. By selecting the ballast rate as the input, three aspects of the dynamics of a glider can be observed: buoyancy, depth of the glider and pitching angle. The MATLAB System Identification Toolbox^TM is used to obtain a mathematical model of the glider ballast-buoyancy, ballast-depth and ballast-pitching angle conditioning system. The best three parametric estimation models are chosen, and the results of the comparison between simulated and estimated outputs are presented. The information obtained from the modelling and identification approaches are used for USM's Underwater Glider Prototype controller design. The information observed during this procedure are utilised for optimisation, stability, reliability and robustness analysis of the underwater glider.     

SLOCUM: an underwater glider propelled by environmental energy

SLOCUM is a small gliding AUV of 40 000-km operational range which harvests its propulsive energy from the heat flow between the vehicle engine and the thermal gradient of the temperate and tropical ocean. The design of both the glider and the thermal engine are discussed including the design genesis and approach, field trial results, concept strength, and limitations and potential use     

Modeling and Motion Simulation for A Flying-Wing Underwater Glider with A Symmetrical Airfoil

China Ocean Engineering - The flying-wing underwater glider (UG), shaped as a blended wing body, is a new type of underwater vehicle and still requires further research. The shape layout and the...     

Motion Analysis and Trials of the Deep Sea Hybrid Underwater Glider Petrel-II

A hybrid underwater glider Petrel-II has been developed and field tested. It is equipped with an active buoyancy unit and a compact propeller unit. Its working modes have been expanded to buoyancy driven gliding and propeller driven level-flight, which can make the glider work in strong currents, as well as many other complicated ocean environments. Its maximal gliding speed reaches 1 knot and the propelling speed is up to 3 knots. In this paper, a 3D dynamic model of Petrel-II is derived using linear momentum and angular momentum equations. According to the dynamic model, the spiral motion in the underwater space is simulated for the gliding mode. Similarly the cycle motion on water surface and the depth-keeping motion underwater are simulated for the level-flight mode. These simulations are important to the performance analysis and parameter optimization for the Petrel-II underwater glider. The simulation results show a good agreement with field trials.     

Motion Analysis and Trials of the Deep Sea Hybrid Underwater Glider Petrel-Ⅱ

A hybrid underwater glider Petrel-II has been developed and field tested. It is equipped with an active buoyancy unit and a compact propeller unit. Its working modes have been expanded to buoyancy driven gliding and propeller driven level-flight, which can make the glider work in strong currents, as well as many other complicated ocean environments. Its maximal gliding speed reaches 1 knot and the propelling speed is up to 3 knots. In this paper, a 3D dynamic model of Petrel-II is derived using linear momentum and angular momentum equations. According to the dynamic model, the spiral motion in the underwater space is simulated for the gliding mode. Similarly the cycle motion on water surface and the depth-keeping motion underwater are simulated for the level-flight mode. These simulations are important to the performance analysis and parameter optimization for the Petrel-II underwater glider.The simulation results show a good agreement with field trials.