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水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析

赵宏昌 黄桥高 刘静

赵宏昌, 黄桥高, 刘静. 水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 567-574 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109015
引用本文: 赵宏昌, 黄桥高, 刘静. 水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析[J]. 水下无人系统学报, 2022, 30(5): 567-574 doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109015
ZHAO Hong-chang, HUANG Qiao-gao, LIU Jing. Thermodynamic Simulation Analysis of Variable Buoyancy Device for Underwater Gliders[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 567-574. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109015
Citation: ZHAO Hong-chang, HUANG Qiao-gao, LIU Jing. Thermodynamic Simulation Analysis of Variable Buoyancy Device for Underwater Gliders[J]. Journal of Unmanned Undersea Systems, 2022, 30(5): 567-574. doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109015

水下滑翔机变浮力装置热力学仿真分析

doi: 10.11993/j.issn.2096-3920.202109015
基金项目: 国家自然科学基金(51979226); 中央高校基本科研业务费专项基金(3102019HHZY030019、3102020HHZY030018)
详细信息
    作者简介:

    赵宏昌(1998-), 男, 在读硕士, 主要研究方向为水下航行器总体设计

    通讯作者:

    黄桥高(1983-), 男, 工学博士, 教授, 主要研究方向为水动力学

  • 中图分类号: U674.941; TK123

Thermodynamic Simulation Analysis of Variable Buoyancy Device for Underwater Gliders

  • 摘要: 水下滑翔机变浮力装置在工作时其驱动电机和泵产生的热量会对其内部结构产生影响, 导致装置无法正常运行。针对这一问题, 采用有限元方法, 建立了变浮力装置热力学仿真模型, 先对变浮力装置的活塞在理想匀速运动状态时在不同海水深度下到达热平衡时的温度场分布进行了仿真计算, 获得了变浮力装置的温度随海水深度的变化规律。结果表明: 在所选不同海水深度的工况中, 海水深度为500 m时温度最低, 在海面时温度最高; 在海面处和100 m海深时, 变浮力装置到达热平衡时的最高温度存在于右侧活塞上, 分别为31.49℃和26.90℃, 在所选其他海水深度的工况下装置到达热平衡时的最高温度均存在于泵模型的压盖上。文中同时对不同电机转速到达热平衡时的温度场分布进行了仿真, 获得了1 500 m海深下变浮力装置温度随电机转速的变化规律, 可知电机转速为5 000 r/min时, 装置到达热平衡时的温度最高, 为40.95℃, 存在于泵模型的压盖上。根据仿真结果获得了该装置运行时温度较高的位置, 为判别装置工作时由于温度过高而影响关键部件正常运行的可能性提供参考。

     

  • 图  1  变浮力装置结构示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of variable buoyancy device

    图  2  网格划分

    Figure  2.  Mesh generation

    图  3  海水温度随海水深度变化曲线

    Figure  3.  Curve of sea temperature changing with water depth

    图  4  变浮力装置在不同海水深度下的温度场云图

    Figure  4.  Contours of temperature field of variable buoyancy device at different water depths

    图  5  热平衡时各点温度随海水深度变化曲线

    Figure  5.  Curves of temperature at various points during thermal equilibrium changing with water depth

    图  6  不同电机转速下装置到达热平衡时温度场云图

    Figure  6.  Contours of temperature field of the device at thermal equilibrium at different motor speeds

    图  7  热平衡时各点温度随电机转速变化曲线

    Figure  7.  Curves of temperature at various points during thermal equilibrium changing with motor speed

    表  1  海水温度与海水深度样本点

    Table  1.   Sample points of sea temperature and water depth

    海水深度/m海水温度/℃海水深度/m海水温度/℃
    0301 0005
    100251 2004
    500101 5003
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    表  2  海水密度、压力与海水深度样本点

    Table  2.   Sample points of seawater density, pressure and water depth

    海水深度
    /m
    海水密度
    /(kg·m−3)
    海水压力
    /MPa
    01 021.000.10
    1001 023.481.00
    5001 031.715.06
    1 0001 034.5910.14
    1 2001 035.5412.18
    1 5001 037.0415.24
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    表  3  海水深度对泵和电机生热率边界条件的影响

    Table  3.   Influence of water depth on the boundary conditions of heat generation rate of the pump and the motor

    海水深度
    /m
    泵输出功率
    /kW
    泵输入功率
    /kW
    泵发热量
    /W
    泵生热率
    /(W·mm−3)
    电机输出功率
    /kW
    电机输入功率
    /kW
    电机发热量
    /W
    电机生热率
    /(W·mm−3)
    00.016 70.017 00.340 11.26×10−60.018 70.019 10.381 81.43×10−7
    1000.166 70.170 13.401 41.26×10−50.187 10.190 93.817 91.43×10−6
    5000.843 30.860 517.210 96.36×10−50.946 60.965 919.318 37.24×10−6
    1 0001.690 01.724 534.489 81.28×10−41.896 91.935 738.713 01.45×10−5
    1 2002.030 02.071 441.428 61.53×10−42.278 62.325 146.501 51.74×10−5
    1 5002.540 02.591 851.836 71.92×10−42.851 02.909 258.184 12.18×10−5
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    表  4  电机转速对泵和电机生热率边界条件的影响

    Table  4.   Influence of motor speed on the boundary conditions of heat generation rate of the pump and the motor

    转速
    /(r·min−1)
    泵输出功率
    /kW
    泵输入功率
    /kW
    泵发热量
    /W
    泵生热率
    /(W·mm−3)
    电机扭矩
    /(n·m)
    电机输出功率
    /kW
    电机输入功率
    /kW
    电机发热量
    /W
    电机生热率
    /(W·mm−3)
    1 0000.895 50.913 818.275 16.80×10−59.5991.005 11.025 620.512 97.70×10−6
    2 0002.236 12.281 845.635 41.69×10−411.9852.509 92.561 251.223 41.92×10−5
    3 0002.855 52.913 858.275 12.15×10−410.2033.205 13.270 565.410 82.45×10−5
    4 0004.214 84.300 886.016 23.18×10−411.2954.730 94.827 496.548 83.62×10−5
    5 0004.722 84.819 196.382 73.56×10−410.1255.301 05.409 2108.184 64.06×10−5
    6 0003.656 23.730 874.615 92.76×10−46.5324.103 94.187 683.752 53.14×10−5
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-09-25
  • 修回日期:  2022-03-26
  • 网络出版日期:  2022-09-15

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