详情

原文传递利用海洋温差能的水下热滑翔机相变过程和动力性能研究

论文题名：	利用海洋温差能的水下热滑翔机相变过程和动力性能研究
关键词：	海洋;温差能;滑翔机;相变过程;动力系统;体积变化率;相变材料;运行速度;变化规律;输出功率;温跃层;储能装置;整机性能;影响因素合理设计;水动力性能;温度;模拟分析;运行阻力
摘要：	温差能驱动的水下滑翔机具有工作寿命长、构造简单、成本低、无噪音等特点，在海洋环境观测和水下军事侦察等方面具有重要的应用价值，已成为水下工程领域近几年来的研究热点。目前，国内外对热滑翔机的研究仍处于样机试制和实验阶段。温差能驱动的水下滑翔机，通过特殊的动力系统将海洋温差能转化为机械能，驱动滑翔机航行。其动力系统的工作特性将影响滑翔机从海洋温跃层获取能量的效率，而动力系统中的相变储能装置是实现水下滑翔机的长行程、无噪声的海洋探测工作的核心部分。本文对水下热滑翔机动力系统的相变储能装置的相变过程和影响因素进行研究，探讨滑翔机在水下运行时的动力性能及其对滑翔机整机性能的影响。　　首先，本学位论文利用数值模拟结合试验研究的方法，获取了固-液相变材料的体积变化规律及影响因素。在研究该问题中，所建立的数学模型，也适用于各种固-液相变材料体积变化规律的研究。所设计的实验方法，能够克服相变材料粘附管壁的困难，能够克服相变材料凝固体积变化量难以测量的困难。　　论文根据热滑翔机动力系统储能装置的物理模型，建立基于焓法的相变传热数学模型，采用液相分数场与温度场解耦的方法，模拟分析了影响动力系统储能装置传热效率的因素。研究结果表明，合理选择相变材料，提高相变材料的热物性能，增大动力系统与外界环境的温差，合理设计相变储能装置的结构尺寸，减小容器的半径或是增大滑翔机的运行速度，都可以提高动力系统的传热效率。　　热滑翔机通过动力系统中储能工质的体积变化来改变外胆的体积，从而改变滑翔机的整机净浮力，实现沉浮运动。储能工质的体积变化规律及影响因素决定了滑翔机动力系统的工作性能和滑翔机水下运行时的姿态控制。因此，本论文对相变材料的体积变化规律进行了实验研究和数值模拟分析。　　基于动力系统储能装置的相变传热模型，根据相变材料液相分数场的分布，推导出储能工质体积变化率的数学模型。通过实验验证和数值模拟分析，得到储能工质的体积变化规律。即储能工质在初始阶段具有较快的体积变化速率；其体积变化率跟相变速率有关，同时与相变过程中液相成分或固相成分有关；所有影响相变速率的因素均会影响体积变化速率。　　在外界压力的作用下，熔解过程的体积变化率小于凝固过程的体积变化率。在涉及承压较高的应用场合，应考虑压力作用的影响，以保证工作装置的正常运行。　　对给定体积的相变材料，增大Ste数（Ste=cp△T/L）、Bi数（Bi=hl/λ）和减小圆柱形容器的尺寸，可以提高动力系统的输出功率。根据储能工质体积变化规律曲线，可求得最佳相变时间点和最优体积变化率，可以提高动力系统的综合性能。　　其次，本学位论文利用数值模拟方法，研究了运行于海洋温跃层间滑翔机的动力系统相变过程，获取了滑翔机运行中的体积变化规律、冷暖水层停留时间、动力系统阀门定时控制策略。通过滑翔机运行潜深优化、循环时间优化和输出功率变化规律研究，得到了提高滑翔机输出功率的途径。　　对滑翔机在赤道附近海域温跃层间的工作过程进行模拟优化，优化后的循环时间比未优化前减少了30％，滑翔潜深减小了40％。设计未达到100％体积膨胀率的行程，可缩短行程时间和减小滑翔潜深，提高动力系统输出功率，还可以预留部分相变材料作为能量损失补偿。　　再其次，本学位论文采用对浅跃层和深海跃层间工作的滑翔机进行研究的方法，获取了温跃层厚度和强度与滑翔性能之间的关系。　　浅跃层型的海洋温跃层，跃层的上界和下界温度对滑翔机的运行过程影响较大。跃层的上界温度越高，下界温度越低，相变速率越大，在冷、暖水层停留时间越短。　　深水跃层型的温跃层，其跃层的强度和上界温度对滑翔机的运行过程影响较大。跃层的强度越大，相变速率越快，滑翔机的潜深越小，循环所需的时间越短。跃层的上界温度越低，滑翔机需在暖水层停留的时间越长。　　最后，本学位论文采用动力系统工作性能与滑翔机水动力性能结合的方法，研究体积变化率与滑翔速度、攻角之间的关系，获取了动力系统输出功率与水下运行阻力之间的平衡关系，获取了提高整机性能的途径。　　滑翔机的水动力性能参数影响滑翔机运行姿态和动力系统的设计。滑翔机攻角和运行速度增大，滑翔机的水下运行阻力增大，滑翔机用于克服阻力所需的净浮力增大。相应地所需相变材料的体积变化率也随着增大。在给定的温跃层间运行的滑翔机，攻角增大，水下运行时的滑翔角减小，潜深、垂直运行速度和每循环所需的时间都随着增大。滑翔机的整机设计应根据具体的任务进行，按滑翔机运行速度、行程、潜深和负载能力等目标参数进行优化，以得到最优的整机综合性能。　　本论文的研究揭示了滑翔机动力系统的工作规律及其影响因素，指出提高动力系统输出功率的途径。通过滑翔机工作过程的模拟，结合实测海洋温跃层的温度分布，合理设计滑翔机在冷暖水层的停留时间，精确定时控制动力系统阀门的开闭，及时调整滑翔机运行姿态，保证滑翔机能够长时间的稳定运行。将滑翔机动力系统的工作特性与水动力性能参数给合起来，分析动力系统输出功率与滑翔机水下运行阻力问的平衡，得到影响滑翔机整机性能的因素，为合理设计动力系统相变材料体积变化率大小，以及对整机性能进行改进和优化设计提供了理论依据。
作者：	孔巧玲
专业：	轮机工程
导师：	马捷
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文