跨介质飞潜器构型设计及流体动力性能特性研究

作     者：陆德顺 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孙铁志

授予年度：2024年

学科分类：080103[工学-流体力学] 08[工学] 080104[工学-工程力学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：跨介质飞潜器 导管推进器 介质跨越 流场演化 载荷特性 

摘      要：跨介质飞潜器是一种能够在空中、水面和水下作业,并且具有多次跨越气、水两相介质能力的航行器,在船舶与海洋工程领域具有非常广阔的应用前景。本文提出一种变构型四旋翼式跨介质飞潜器方案,对其主体构型及局部结构进行了详细设计,对其推进系统动力性能进行了评估,并对其空中飞行、水下潜行以及水面起降过渡转换模式运动过程进行了分析。主要研究内容及成果如下: 首先,基于四旋翼无人飞行器和无人潜航器的设计理念,形成兼顾气、水动性能的外形设计方案。参考抹香鲸主要形体特征进行主体构型仿生设计,针对艏部构型进行局部优化,并分别对不同尖削程度艏部构型在倾斜入水时冲击载荷特性进行分析,形成飞潜器主体构型设计方案。确定其空中飞行状态采用四旋翼式X型交叉布局,水下潜行状态采用中部双侧导管推进器布局。并分别开展局部结构详细设计以及变体方案设计。 其次,针对空中旋翼及水下导管推进器分别开展气/水动性能研究。结果表明旋翼产生的拉力和功率均随之增大,而转速过高时,其整体推进效率会降低。随着悬停高度的降低,旋翼气动效率会有所提高。但在旋翼紧贴液面悬停时,脱落的翼尖涡会扰乱了入流区气流,导致旋翼气动效率急剧降低。导管的存在能够改善尾流区的涡旋结构,增大整体推力。导管与螺旋桨共同运动会降低整体推力且使螺旋桨扭矩增大。导管截面厚度的增大使螺旋桨所受净推力减小而总推力增大;导管尾缘收缩率的增加,会使螺旋桨扭矩、推力和整体推力均增加,且随着收缩率增大,推力增大更加明显。 然后,针对所提出四旋翼式变构型飞潜器分别进行气水动航行性能研究。结果表明飞潜器定高悬停时,旋翼下洗气流主要受机臂结构影响,会造成一定程度的动力损耗,但其工作效率几乎不受影响。飞潜器垂直拉升时,其速度随旋翼转速增大而增大,且最终呈近似线性趋势,并具有明显的抬首趋势。飞潜器水下直航时,航速与螺旋桨转速近似呈线性关系,而俯仰力矩始终为负值,且随着螺旋桨转速的增大绝对值逐渐减小。飞潜器水下回转时,螺旋桨转速对于回转半径几乎不产生影响,回转半径仅随着尾鳍偏转角的增大而减小,且两侧螺旋桨动力特性存在明显差额。 最后,根据飞潜器介质跨越方式分别开展倾斜出入水及水面起降运动过程研究。结果表明飞潜器在介质跨越过程中具有良好的姿态稳定及调整能力。倾斜入水过程中在艏部触水及导管触水均会产生明显的加速度峰值,艏部入水后没有明显空泡产生,导管前缘产生了明显的空泡,并沿入水轨迹向机身后侧发展,导管内部螺旋桨在受到导管内进水砰击作用后载荷出现了明显突变及振荡现象。随着入水过程的进行,飞潜器俯角持续减小并逐渐与自由液面平行,最终进入水下航行状态。在水面起飞过程中飞潜器均能保持稳定的姿态,其周围流场结构及自由液面演化均具有强对称性。在水面降落过程中,受到砰击后飞潜器姿态会出现一定程度的振荡,在经过多次衰减波动后能够快速恢复平稳状态。