水下热滑翔机在弱温差和逆温差下的性能研究

论文摘要

水下滑翔机是一种新型的水下机器人,其具有高效、节能、隐蔽性好等特点,在海洋研究和军事探测领域具有重要的应用价值。水下热滑翔机利用海洋温差能作为推进的动力,与利用电池能量作为动力推进的水下滑翔机相比其续航能力更强。海洋温差能动力推进系统的核心部件为水平储能管,其内装有工作流体,它是一种相变材料。本文的主要目的,是研究弱温差和逆温差条件对相变性能的影响规律及改进相变过程的方法,探讨水下热滑翔机的参数设计设计方法以改善滑翔机在弱温差和逆温差下的性能。通过焓法建立的水下热滑翔机相变过程的数学模型,并通过外节点法对计算区域进行了离散和进行了基于控制容积法的控制方程离散,最后根据TDMA算法给出了求解水下热滑翔机相变过程数学模型的算法。为研究水下热滑翔机在弱温差和逆温层下的相变过程提供了基础。通过利用相变过程的求解算法对水下热滑翔机在弱温差和逆温差下的相变性能进行求解,得出了弱温差和逆温差对相变过程的阻碍作用。为了保证水下热滑翔机能够正常运行,引入了临界航程的概念,并针对这个概念改良了相变求解算法和其目标函数,得出了弱温差和逆温差对临界航程下水下热滑翔机的相变过程的影响,并求出了对应的临界航程的上下界点和航程范围。得出了弱温差和逆温差对相变过程的阻碍会体现临界航程范围增加上的结果,为以后优化弱温差和逆温差下水下热滑翔机性能参数提供了基础。通过对水下热滑翔机的水动力性能和相变过程的分析,得出了在弱温差和逆温差下主要影响相变过程的水下热滑翔机参数:储能管半径和水下热滑翔机的垂直方向速度,通过对改变着两个参数对水下热滑翔机的相变过程进行了求解和分析,得出了储能管半径和水下热滑翔机的垂直方向速度对临界航程和相变性能的影响。并以此给出了优化参数的目标和方法,通过对储能管半径和水下热滑翔机的垂直方向速度的优化,提出了使用环形相变储能管的想法,并给出了水下热滑翔机滑翔角在25°~45°之间能够同时具有较高的水平方向速度和较好的相变性能的结论。通过分析水下热滑翔机在室外进行实验的困难,提出了设计一套室内的海洋温跃层模拟实验台的方案。通过对海洋温跃层模拟实验台的方案原理设计分析了实验台所需的设备和器材,并研究了实验台的结构。按照原理分析设计的方案在现实环境中对实验台的基础结构、控制系统和数据采集系统进行了设计和建造。最后通过Fluent对两种工况下水槽内部的温度场和速度场的分析,对原理设计的方案进行验证,并给出了海洋温跃层模拟实验台的优化方法。通过对水下热滑翔机在弱温差和逆温层下的性能的研究,得出了弱温差和逆温差条件对相变过程的影响,分析和优化了水下热滑翔机的参数,为水下热滑翔机有效的克服弱温差和逆温层条件提出的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 国内外水下滑翔机发展现状
• 1.3 海洋温差能资源
• 1.4 水下热滑翔机推进系统原理
• 1.5 水下热滑翔机的技术难点
• 1.6 本文的主要工作
• 1.7 本文的创新点
• 第二章 水下热滑翔机相变过程建模
• 2.1 引言
• 2.2 相变传热研究现状
• 2.3 水下热滑翔机相变过程建模
• 2.3.1 数值求解方法
• 2.3.2 数学建模的基本假设
• 2.3.3 相变过程的焓法模型
• 2.3.4 边界条件
• 2.3.5 相变材料对流换热的处理
• 2.4 模型的离散化
• 2.4.1 计算区域的离散
• 2.4.2 内部节点的控制方程离散
• 2.4.3 内侧边界节点的边界条件及控制方程离散
• 2.4.4 外侧边界节点的边界条件及控制方程离散
• 2.5 模型求解
• 2.6 本章小结
• 第三章 弱温差和逆温层下水下热滑翔机的相变性能
• 3.1 引言
• 3.2 弱温差和逆温差层的定义
• 3.3 相变材料和海洋参数的选取
• 3.3.1 相变材料的选取
• 3.3.2 海洋参数的选取
• 3.4 弱温差对水下热滑翔机相变性能的影响
• 3.4.1 弱温差层海洋剖面的模型建立和参数取值
• 3.4.2 弱温差条件下水下热滑翔机相变过程求解
• 3.4.3 水下热滑翔机相变过程分析
• 3.4.4 弱温差条件对水下热滑翔机相变过程的影响
• 3.5 逆温差对水下热滑翔机相变性能的影响
• 3.5.1 逆温差层海洋剖面的模型建立和参数取值
• 3.5.2 逆温差条件下水下热滑翔机相变过程求解
• 3.5.3 逆温差条件对水下热滑翔机相变过程的影响
• 3.6 本章小结
• 第四章 弱温差和逆温层下水下热滑翔机的参数优化
• 4.1 引言
• 4.2 水下热滑翔机水动力分析
• 4.3 水下热滑翔机参数对相变过程的影响
• 4.3.1 水平储能管半径对水下热滑翔机性能的影响
• 4.3.2 垂直方向速度对水下热滑翔机性能的影响
• 4.4 影响水下热滑翔机相变性能的参数优化
• 4.4.1 水平储能管的半径优化
• 4.4.2 垂直方向速度的优化
• 4.5 本章小结
• 第五章 海洋温跃层模拟实验台方案设计
• 5.1 引言
• 5.2 海洋温跃层模拟实验台原理设计
• 5.3 海洋温跃层模拟实验台的建设
• 5.3.1 实验台的设备和结构建造
• 5.3.2 数据采集系统和控制系统
• 5.4 海洋温跃层模拟实验台的数值验证
• 5.4.1 计算流体力学软件Fluent 简介
• 5.4.2 Fluent 模型的建立
• 5.4.3 网格划分
• 5.4.4 边界条件和初始状态
• 5.4.5 数值求解与分析
• 5.5 海洋温跃层模拟实验台的优化
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 重要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间参与申请专利