CN111674534B - 一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置 - Google Patents

一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，涉及主动流动控制领域，包括设置于水下滑翔机机翼底部前端的扩散硅压力传感器，扩散硅压力传感器连接有控制单元，控制单元分别连接有位于水下滑翔机机翼底部前端的微型吸水泵组和位于水下滑翔机机翼底部后端的微型喷水泵组，微型吸水泵组和微型喷水泵组分别通过管路连接有储水仓；水下滑翔机机翼上表面的前端和后端分别开设有多个机械式喷口，微型吸水泵组与位于水下滑翔机机翼上表面前端的机械式喷口连接，微型喷水泵组与位于水下滑翔机机翼上表面后端的机械式喷口连接。本发明通过局部扰动，获得局部或全局的有效流动改变，进而实现增升减阻、改善流场、抑制噪声等目的。

Description

一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置
技术领域
本发明涉及主动流动控制技术领域，特别是涉及一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置。
背景技术
水下滑翔机(Underwater Glider，UG)是一种利用净浮力和姿态角调节获得推进力的新型水下航行器。相比于传统水下航行器，水下滑翔机具有航程远、持续工作能力强和经济性好等优点。水下滑翔机作为一种水下无人智能移动平台，在探索海洋资源、海洋科学考察和军事等领域有着广阔的应用前景和巨大的潜在价值。水下滑翔机按照外形可分为传统回转体式和翼身融合式两类。由于回转体壳体外形不能像水翼一样提供非常高的升力，所以传统回转体式滑翔机在加装高展弦比水翼下的最大升阻比也只能达到5左右。而翼身融合式水下滑翔机由于具有更大的水翼面积能显著提高升阻比。
水下滑翔机滑翔比是决定其航程和经济性的关键因素之一，而滑翔比主要取决于水下滑翔机的升阻比。因而，升阻比对滑翔机航程和经济性至关重要。目前，翼身融合水下滑翔机通过外形优化设计升阻比可达15～20，然而不管外形怎么优化，在航行过程中由于流动分离现象的存在，导致阻力系数增加和升力系数减小，限制其升阻比的进一步提升。而且，仅依靠外形优化来提升水下滑翔机的升阻比会使得滑翔机内部空间狭窄，削弱其探测能力或者工作时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过局部扰动，获得局部或全局的有效流动改变，进而实现增升减阻、改善流场、抑制噪声等目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，包括设置于水下滑翔机机翼内底部前端的扩散硅压力传感器，所述扩散硅压力传感器连接有控制单元，所述控制单元分别连接有位于所述水下滑翔机机翼内底部前端的微型吸水泵组和位于水下滑翔机机翼内底部后端的微型喷水泵组，所述微型吸水泵组和微型喷水泵组分别通过管路连接有储水仓；所述水下滑翔机机翼上表面的前端和后端分别开设有多个机械式喷口，所述微型吸水泵组与位于所述水下滑翔机机翼上表面前端的机械式喷口连接，所述微型喷水泵组与位于所述水下滑翔机机翼上表面后端的机械式喷口连接。
可选的，所述机械式喷口处设置有机械式喷口调节装置；所述机械式喷口调节装置包括设置于所述水下滑翔机机翼上表面下端的密封外壳，所述密封外壳内安装有固定阀体，所述固定阀体一端分别与微型喷水泵组或微型吸水泵组连通，所述固定阀体另一端连通有旋转阀体，所述旋转阀体上安装有喷嘴，所述喷嘴开口端位于所述机械式喷口位置处；所述喷嘴靠近所述机械式喷口位置处穿设有挡流板，所述挡流板位于所述机械式喷口下方；所述旋转阀体连接有数控舵机，所述数控舵机与所述控制单元连接。
可选的，位于所述微型喷水泵组处的机械式喷口的喷流速度值为：
Ujet＝Ublowingdjet
Ublowing表示机械式喷口的喷流速度值；djet为射流出射方向的单位矢量，并定义djet与机翼翼型当地表面切向的夹角θjet为射流偏角。
可选的，定义所述机械式喷口处喷流速度值Ublowing相对于水下来流的射流速度U∞比为：
Figure BDA0002552260010000021
位于微型吸水泵组处的机械式喷口流速比Rjet为0.357、0.714或1.0；位于微型喷水泵组处的机械式喷口流速比Rjet为0.357、0.714、1.429或2.857。
可选的，水下滑翔机机翼的行进方向的切面长度为c，所述微型吸水泵组位置为0.3c处，所述微型喷水泵组位置为0.7c处；所述微型吸水泵组的喷口角度调节范围为60°、90°或120°；所述微型喷水泵组的喷口角度调节范围为30°、60°、120°或150°。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明通过定常喷/吸流技术对翼身融合水下滑翔机进行主动流动控制，并通过传感器和控制单元形成相应的闭环流动控制系统。在物体流场中通过定常喷、吸流施加扰动并与流动的内在模式相耦合来实现对流动的控制。通过局部扰动，获得局部或全局的有效流动改变，进而实现增升减阻、改善流场、抑制噪声等目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明水下滑翔机机翼行进方向的切面示意图；
图2为图1中射流偏角示意图；
图3为本发明水下滑翔机的俯视图；
图4为本发明机械式喷口调节装置结构示意图；
图5为本发明机械式喷口调节装置内部具体结构示意图；
其中，1为水下滑翔机机翼、2为扩散硅压力传感器、3为控制单元、4为微型吸水泵组、5为微型喷水泵组、6为储水仓、7为机械式喷口、8为机械式喷口调节装置、801为密封外壳、802为固定阀体、803为旋转阀体、804为喷嘴、805为挡流板、806为数控舵机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，以解决上述现有技术存在的问题，通过局部扰动，获得局部或全局的有效流动改变，进而实现增升减阻、改善流场、抑制噪声等目的。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，如图1-图5所示，包括设置于水下滑翔机机翼1底部前端的扩散硅压力传感器2，扩散硅压力传感器2连接有控制单元3，控制单元3分别连接有位于水下滑翔机机翼1底部前端的微型吸水泵组4和位于水下滑翔机机翼1底部后端的微型喷水泵组5，微型吸水泵组4和微型喷水泵组5分别通过管路连接有储水仓6；水下滑翔机机翼1上表面的前端和后端分别开设有多个机械式喷口7，微型吸水泵组4与位于水下滑翔机机翼1上表面前端的机械式喷口7连接，微型喷水泵组5与位于水下滑翔机机翼1上表面后端的机械式喷口7连接。
进一步优选的，机械式喷口7处设置有机械式喷口调节装置8；机械式喷口调节装置8包括设置于水下滑翔机机翼1下端的密封外壳801，密封外壳801内安装有固定阀体802，固定阀体802一端分别与微型喷水泵组5或微型吸水泵组4连通，固定阀体802另一端连通有旋转阀体803，旋转阀体803上安装有喷嘴804，喷嘴804开口端位于机械式喷口7位置处；喷嘴804靠近机械式喷口7位置处穿设有挡流板805，挡流板805位于机械式喷口7下方；旋转阀体803连接有数控舵机806，数控舵机806与控制单元3连接。
位于微型喷水泵组5处的机械式喷口的喷流速度值为：
Ujet＝Ublowingdjet
Ublowing表示机械式喷口的喷流速度值；djet为射流出射方向的单位矢量，并定义djet与机翼翼型当地表面切向的夹角θjet为射流偏角。
定义机械式喷口7处相对于水下来流的射流速度比为：
Figure BDA0002552260010000041
位于微型吸水泵组4处的机械式喷口7流速比Rjet为0.357、0.714或1.0；位于微型喷水泵组处5的机械式喷口7流速比Rjet为0.357、0.714、1.429或2.857。水下滑翔机机翼1的行进方向的切面长度为c，微型吸水泵组4位置为0.3c处，微型喷水泵组5位置为0.7c处；微型吸水泵组4的喷口角度调节范围为60°、90°或120°；微型喷水泵组5的喷口角度调节范围为30°、60°、120°或150°。
本发明工作原理为：扩散硅压力变动器2作为流场压力传感器监控水下滑翔机周边流场；微型吸水泵组4可以将外界水吸入储水仓6，流速可控；微型喷水泵组5可以将储水仓6的水喷出外界，流速可控；机械式喷口调节装置8可以调节喷孔方向，改变局部流速方向。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，其特征在于：包括设置于水下滑翔机机翼内底部前端的扩散硅压力传感器，所述扩散硅压力传感器连接有控制单元，所述控制单元分别连接有位于所述水下滑翔机机翼内底部前端的微型吸水泵组和位于水下滑翔机机翼内底部后端的微型喷水泵组，所述微型吸水泵组和微型喷水泵组分别通过管路连接有储水仓；所述水下滑翔机机翼上表面的前端和后端分别开设有多个机械式喷吸口，所述微型吸水泵组与位于所述水下滑翔机机翼上表面前端的机械式喷吸口连接，所述微型喷水泵组与位于所述水下滑翔机机翼上表面后端的机械式喷吸口连接；所述机械式喷吸口处设置有机械式喷吸口调节装置；所述机械式喷吸口调节装置包括设置于所述水下滑翔机机翼的上表面下端的密封外壳，所述密封外壳内安装有固定阀体，所述固定阀体一端分别与微型喷水泵组或微型吸水泵组连通，所述固定阀体另一端连通有旋转阀体，所述旋转阀体上安装有喷吸嘴，所述喷吸嘴开口端位于所述机械式喷吸口位置处；所述喷吸嘴靠近所述机械式喷吸口位置处穿设有挡流板，所述挡流板位于所述机械式喷吸口下方；所述旋转阀体连接有数控舵机，所述数控舵机与所述控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，其特征在于：定义所述机械式喷吸口处喷吸流速度值Ublowing相对于水下来流的射流速度U∞的流速比为：
Figure FDA0002967460930000011
位于微型吸水泵组处的机械式喷吸口流速比Rjet为0.357、0.714或1.0；位于微型喷水泵组处的机械式喷吸口流速比Rjet为0.357、0.714、1.429或2.857。
3.根据权利要求1所述的基于定常吹吸流的水下滑翔机闭环主动流动控制装置，其特征在于：水下滑翔机机翼的行进方向的切面长度为c，所述微型吸水泵组位置为0.3c处，所述微型喷水泵组位置为0.7c处；所述微型吸水泵组的喷吸嘴角度调节范围为60°、90°或120°；所述微型喷水泵组的喷吸嘴角度调节范围为30°、60°、120°或150°。
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