環(huán)境流場與運動方式對擺動翼推進性能的影響研究.pdf

1、經(jīng)過上億年的進化與自然選擇，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-尾鰭模式推進的魚類，其推進方式具有高效、高速、低噪聲等優(yōu)點。相比而言，常規(guī)水下航行器的多螺旋槳推進系統(tǒng)則占據(jù)空間大、噪音高、推進效率低，推進系統(tǒng)的不足極大限制了水下航行器的工作能力及應用范圍。因此，近年來，模仿魚類擺動尾鰭的擺動翼推進系統(tǒng)被廣泛研究應用，眾多的仿魚形水下機器人也被研制開發(fā)。本文以擺動翼推進系統(tǒng)在不同環(huán)境流場中及不同運動方式下的水動

2、力性能為主要研究內(nèi)容，以擺動翼推進系統(tǒng)在海洋運載器平臺的應用為目的，采用計算流體力學方法，探討了不同情況下擺動翼推進系統(tǒng)的推進性能。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴以滑波推進器通過波浪能驅(qū)動產(chǎn)生推進力為背景，采用理論和實驗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系統(tǒng)的推進性能。理論研究中采用求解RANS方程的方法計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性能均有較大影響；實驗研究中，以理論結果為基礎設計建造了串列翼推進器的原理樣機，以波浪能作為其輸入功率，系統(tǒng)實驗了規(guī)則波波高與波長對其推進性能的影響。實驗結果與理論結果比較驗證了數(shù)值計算方法的有效性，兩種結果顯示波高的增加能夠提高串列翼推進器的推力，而波長的增加則能提高其推進效率。⑵以近波面運動的擺動翼推進性能受波浪環(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性能。應用速度邊界造

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，首先計算了波面下二維剛性翼、柔性翼的推進性能，之后進一步計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動方式的推進性能，系統(tǒng)分析了水翼運動參數(shù)、波浪參數(shù)及水翼運動與波浪運動間的耦合參數(shù)對其性能的影響。結合渦系結構分析顯示，擺動翼與擺動尾鰭在波浪環(huán)境中，通過調(diào)整相應參數(shù)，能夠減小波浪對其推進性能的不利影響，達到利用波浪能推進的目的，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以仿魚水下機器人采用擺動翼推進為背景，研究了仿魚水下機器人及其擺動尾鰭在不同運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算分析了單獨尾鰭在不同斯特羅哈爾數(shù)下的推進性能，高斯特羅哈爾數(shù)下尾鰭推力更高。三維渦系結構分析顯示，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-魚體推進模式、尾鰭擺動幅度、身體波動波長等參數(shù)對仿魚水下機器