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原文传递基于仿生超疏水表面的水下滑翔机减阻技术研究

论文题名：	基于仿生超疏水表面的水下滑翔机减阻技术研究
关键词：	水下滑翔机;超疏水表面;管路压降试验;TR-PIV;减阻节能
摘要：	水下滑翔机作为一种新型水下无人航行器系统平台，可实现复杂海洋环境长时序，大范围的观测与探测。在能源受限条件下，降低水下滑翔机航行阻力，提高其续航能力是无人航行器技术研发领域的重点方向之一。仿生超疏水表面可通过在流体环境中形成气-液界面来减少壁面摩擦阻力，在水下航行器和管道输运等领域有着广阔的应用前景。本文旨在将仿生超疏水表面减阻技术应用于水下滑翔机，以提高其的续航能力。　　一般地，水下滑翔机内部浮力驱动系统管壁和外部壳体表面在工作时均处于流体环境中。针对水下滑翔机内部浮力驱动系统管路和外部壳体表面的不同特点，分别设计减阻方案，通过数值仿真模拟和实验室测试验证评估了其减阻效果，并探索了其减阻机理。主要研究内容和成果如下：　　(1)管路内流减阻技术方面，基于浮力驱动系统工作模式的各阶段特点，在回油阶段设计采用了加工有仿生超疏水内表面管路的减阻方案。并通过数值仿真模拟研究了具有仿生超疏水表面的管路模型下超疏水表面的减阻机理，探索了在流体压力下（即存在气-液压差）超疏水表面减阻效果减弱的机理，以及超疏水表面周期形貌对其自身耐压性的影响规律。通过管路压降试验验证评估了超疏水管路在0~80kPa压力下的减阻特性，并阐明了超疏水表面不同微观形貌和不同流体介质对其自身耐压性的影响。同时，在水下滑翔机浮力驱动系统实际工况条件下，对论文所设计减阻方案的效果进行了测试，试验结果表明，采用仿生超疏水表面减阻方案后，浮力驱动系统回油阶段可实现约13.3%的减阻率，并能节约浮力驱动系统约2%的能耗。　　(2)壳体外流减阻技术方面，基于数值仿真模拟方法分析水下滑翔机在巡航姿态下的水阻力变化规律，设计了在其壳体耐压舱段使用仿生超疏水表面的减阻方案。使用测力传感器对壳体外流减阻方案进行了测试，结果表明，采用该减阻方案后，阻力减少约15.2%；同时经计算，水下滑翔机整体能耗减少约7.9%。利用TR-PIV(Time-ResolvedParticleImageVelocimetry)技术对不同表面上方流场进行高分辨率速度矢量场测量，通过对壁面平均速度分布和湍流统计量变化规律进行对比研究，对比阐明了壳体仿生表面可能的外流减阻机理，即仿生超疏水表面可能延迟转捩的发生，实现了壁面流场再层流化。最后，通过引入水下滑翔机长时续运行后壳体表面的附着物模型，采用测力传感器对加入附着物模型水下滑翔机缩比模型前后阻力进行了测量，结果表明，针对具有附着物的壳体，采用超疏水表面后附着物诱导阻力减少约23.7%。同时通过TR-PIV技术测量得到了壳体表面附着物后方速度矢量场，通过对壳体壁面上方涡旋变化规律的对比分析，amp;nbsp;探索了长时续运行后具有附着物的水下滑翔机壳体超疏水表面减阻效果和可能的减阻规律变化，即超疏水表面会影响壁面上方涡旋的形成和演化，并使其向远离避面方向移动。
作者：	李逸铭
专业：	海洋智能装备
导师：	杨绍琼;姜九旺
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2022