弱温差和逆温差下的相变过程和水下热滑翔机水动力特性研究

水下热滑翔机是依靠浮力推进的自主式水下运载器，属于新一代的水下机器人。当水下热滑翔机穿越温跃层时，所携带的相变工质发生相变和容积增减，引起热滑翔机沉浮运动。借助水平翼的作用，驱使滑翔机按照锯齿形的轨迹上下迂回，滑翔前进。海洋温度垂直分布不断变动，经常形成弱温差和逆温差环境，造成热滑翔机动力系统中相变过程的延缓、阻滞或失常，导致水下热滑翔机的运行困难的停顿。本项目的研究目的，是探索弱温差和逆温差条件下的相变过程和强化机理，达到热滑翔机能够顺利潜行于弱温差层和逆温层的目标。弱温差和逆温差条件下相变过程的特性，弱温差层和逆温层环境对动力系统的影响，滑翔状态对相变过程和动力系统的影响，能量的有效利用及供求匹配，热滑翔机过渡过程的运动分析与姿态调整，海流对水下滑翔机运动的影响及姿态控制，机翼形状优化等，都是需要解决的关键问题。

水下热滑翔机通过特有的动力系统，将海洋温差能转化为机械能，驱动滑翔机航行。动力系统的相变储能是实现水下热滑翔机长行程、无噪声海洋探测工作的核心课题。本基金项目对水下热滑翔机的相变储能过程进行了细致的分析，阐述了热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。.基于焓法建立的相变传热数学模型，模拟分析了影响动力系统储能装置传热效率的因素。.本项目重点研究了运行于海洋温跃层的热滑翔机动力系统相变过程，包括赤道附近海域环境的工作。.研究了弱温差和逆温差对相变过程的迟滞作用，分析了弱温差和逆温差对临界航程下水下热滑翔机相变过程的影响，给出了弱温差和逆温差条件下影响相变过程的水下热滑翔机主要参数，优化参数的目标和方法，进而规定了水下热滑翔机滑翔角变化的应取范围。.弱温差和逆温差海洋温跃层的温差小，水下热滑翔机的热机输出功率有限。为了持续航行，提出了提高水动力性能的外形设计方案。本项目还以大升阻比的机翼为目标，优化了水平翼及尾翼的翼型、平面形状参数和合理安装位置。.为了节省试验成本和时间，避免水下自然环境复杂而丢失模型的风险，本项目基于相似理论建立了室内海洋温跃层模拟水池，确定了室内海洋温跃层模拟水池的参数：缩尺比、水池主尺度、温度梯度场、动力相似数。该装置为水下热滑翔机提供了可重复、稳定、便捷的试验环境。已建设的实验装置，充分考虑了海洋剖面温度和滑翔运动的特点，能实时模拟水下热滑翔机周围的环境温度，实现环境温度连续变化下的温差能热机性能试验。.本项目首次披露了滑翔机动力系统的工作规律及其影响因素，指出了提高动力系统输出功率的途径。.本项目创新地采用逆系统方法和滑模变结构控制理论，提出了水下滑翔机的新型运动控制系统。.本项目首次以内部动态不稳定的水下滑翔机动力学系统为对象，将适用于单输入单输出非线性系统的新的稳定逆技术拓展，应用于多输入多输出非线性系统的前馈控制设计。.本项目还利用二次型最优控制方法设计了反馈控制，用于保证系统稳定顺应期望的状态轨迹从初态变化到末态，并使水下热滑翔机的运动对于环境的变化和干扰具有鲁棒性。.所申请国家自然基金的本项目，已经完成原计划的全部理论研究任务。在读博士生和硕士生还在沿着本课题的研究方向，继续完成试验领域的工作，以期获得更为完整的成果，使成果实现实用化和产业化，为我国的海军装备现代化作出贡献。