温差能水下滑翔机是利用海洋温跃层温差驱动的新型水下运载器。水域温度梯度对温差能水下滑翔机运动控制有重要的影响。国内外进行温差能水下滑翔机相关实验都是将样机直接放入海峡、河流或湖泊中进行。此实验方法成本高;观测难度较大;实验条件比较单一;有可能无法收回样机。基于这些原因,本文利用数值计算结合实验的方法,为模拟温差能水下滑翔机实验所需的温跃层水域,对水池实验系统的设计、实验及滑翔机外形设计等方面展开一系列研究。本文首先采用fluent软件验证了温差能水下滑翔机实验水池的可行性。根据水池温度梯度的形成原理设计一套实验系统,采用有限元软件ALGOR对设计的主体水池进行强度和刚度校核,符合工程安全设计要求。完成其它设备的选型、搭建,建成一个能够调节进入水池冷热水温度和流量大小的水池。基于焓法建立相变材料在滑翔机热机管内相变过程的数学模型;运用外节点法对计算区域进行离散;基于控制容积法对控制方程进行离散化,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。以此算法进行滑翔机实验所需温度梯度的数值验证,得出在2m深的水池中10～15℃/m的温度梯度都可以满足滑翔机相变要求。选取10℃/m作为实验水池温度梯度控制的目标,通过实验设备的调试,利用STEP7软件编程,以水池垂直方向的温差作为控制目标,使PLC控制进入水池冷、热水的流量,取得10℃/m的温度梯度,实现了海洋温跃层的模拟。第五章进一步利用fluent软件将现有的几种水下滑翔机外形进行水动力分析,以获得最大的升阻比为目标,设计了球形加椭球形端头的滑翔机主体、翼型为NACA0018的机翼和NACA0024尾翼,获得滑翔机样机的外形。通过本文的研究,不仅可以实现多种模拟温跃层的水域环境,而且可以完成其它需要调节或测定水域流量和温度的实验;同时设计了高效的滑翔机外形,为温差能水下滑翔机模型样机的相变实验和运动控制实验提供了良好的基础。
