環(huán)境流場與運(yùn)動方式對擺動翼推進(jìn)性能的影響研究.pdf

1、經(jīng)過上億年的進(jìn)化與自然選擇，魚類及海豚、鯨類等水生動物具有了高超的游動能力，尤其是采用魚體-尾鰭模式推進(jìn)的魚類，其推進(jìn)方式具有高效、高速、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)。相比而言，常規(guī)水下航行器的多螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)則占據(jù)空間大、噪音高、推進(jìn)效率低，推進(jìn)系統(tǒng)的不足極大限制了水下航行器的工作能力及應(yīng)用范圍。因此，近年來，模仿魚類擺動尾鰭的擺動翼推進(jìn)系統(tǒng)被廣泛研究應(yīng)用，眾多的仿魚形水下機(jī)器人也被研制開發(fā)。本文以擺動翼推進(jìn)系統(tǒng)在不同環(huán)境流場中及不同運(yùn)動方式下的水動

2、力性能為主要研究內(nèi)容，以擺動翼推進(jìn)系統(tǒng)在海洋運(yùn)載器平臺的應(yīng)用為目的，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，探討了不同情況下擺動翼推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以滑波推進(jìn)器通過波浪能驅(qū)動產(chǎn)生推進(jìn)力為背景，采用理論和實(shí)驗(yàn)方法探討了翼間相互流場干擾情況下，串列異步擺動翼推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)性能。理論研究中采用求解RANS方程的方法計(jì)算了串列布置的二維水翼的擺幅角、翼間距等參數(shù)對各翼性能的影響，分析了不同工況下翼間流場干擾情況。結(jié)果顯示，相比

3、單翼，串列擺動翼間的流場干擾對各翼及整體的推進(jìn)性能均有較大影響；實(shí)驗(yàn)研究中，以理論結(jié)果為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)建造了串列翼推進(jìn)器的原理樣機(jī)，以波浪能作為其輸入功率，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)了規(guī)則波波高與波長對其推進(jìn)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果比較驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的有效性，兩種結(jié)果顯示波高的增加能夠提高串列翼推進(jìn)器的推力，而波長的增加則能提高其推進(jìn)效率。⑵以近波面運(yùn)動的擺動翼推進(jìn)性能受波浪環(huán)境影響為研究背景，探討了規(guī)則波下擺動翼與擺動尾鰭的推進(jìn)性能。應(yīng)用速度邊界造

4、波與阻尼消波法建立了二維、三維數(shù)值水池。采用求解RANS方程的方法，首先計(jì)算了波面下二維剛性翼、柔性翼的推進(jìn)性能，之后進(jìn)一步計(jì)算了波面下翼型截面的三維新月形擺動尾鰭采用不同線位移運(yùn)動方式的推進(jìn)性能，系統(tǒng)分析了水翼運(yùn)動參數(shù)、波浪參數(shù)及水翼運(yùn)動與波浪運(yùn)動間的耦合參數(shù)對其性能的影響。結(jié)合渦系結(jié)構(gòu)分析顯示，擺動翼與擺動尾鰭在波浪環(huán)境中，通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，能夠減小波浪對其推進(jìn)性能的不利影響，達(dá)到利用波浪能推進(jìn)的目的，且對波浪能的利用效果柔性翼高于

5、剛性翼，尾鰭升沉式線位移方式高于橫移式線位移方式。⑶以仿魚水下機(jī)器人采用擺動翼推進(jìn)為背景，研究了仿魚水下機(jī)器人及其擺動尾鰭在不同運(yùn)動方式下的水動力性能。分別采用求解RANS方程方法與浸入邊界法計(jì)算分析了單獨(dú)尾鰭在不同斯特羅哈爾數(shù)下的推進(jìn)性能，高斯特羅哈爾數(shù)下尾鰭推力更高。三維渦系結(jié)構(gòu)分析顯示，不同斯特羅哈爾數(shù)與雷諾數(shù)均對渦系外形特征產(chǎn)生重要影響；之后采用RANS方法探討了尾鰭-魚體推進(jìn)模式、尾鰭擺動幅度、身體波動波長等參數(shù)對仿魚水下機(jī)器