三維柔性尾鰭-胸鰭的推進(jìn)性能研究.pdf

1、隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對(duì)資源的需求不斷增加，海洋資源的探測(cè)與開(kāi)發(fā)技術(shù)正在成為目前的研究熱點(diǎn)，其中包括高性能水下探測(cè)器的推進(jìn)技術(shù)研究。而魚(yú)類的高效游動(dòng)機(jī)理為研制水下探測(cè)器的推進(jìn)系統(tǒng)具有很好的指導(dǎo)作用。 本文以CFD軟件為計(jì)算工具，在其前處理器GAMBIT中建立數(shù)值計(jì)算模型，利用求解器FLUENT開(kāi)展柔性尾鰭胸鰭的水動(dòng)力性能數(shù)值計(jì)算。 根據(jù)資料顯示，魚(yú)類的游動(dòng)模式可分為尾鰭擺動(dòng)式和胸鰭擺動(dòng)式兩大類，本文先后以尾鰭擺動(dòng)式

2、和胸鰭擺動(dòng)式為研究對(duì)象，對(duì)三維尾鰭和三維胸鰭的非定常流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，給出了各相應(yīng)計(jì)算工況下的水動(dòng)力性能和流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。本文首先根據(jù)快速游動(dòng)的海洋生物的尾鰭外形的特點(diǎn)，選取新月形尾鰭為計(jì)算模型的外形，建立了三維柔性尾鰭的數(shù)值計(jì)算模型，較為系統(tǒng)地研究了三維柔性尾鰭弦向變形的非定常流場(chǎng)，以及弦向變形系數(shù)、冪指數(shù)和弦向變形長(zhǎng)度對(duì)其水動(dòng)力性能的影響，隨后在此基礎(chǔ)上，考慮了弦向展向同時(shí)變形對(duì)水動(dòng)力性能的影響，研究了弦向展向相位角以及展向變形系數(shù)、展

3、向變形長(zhǎng)度在相位角為90度和0度時(shí)的水動(dòng)力性能。其次，建立了三維胸鰭的計(jì)算模型，在數(shù)值計(jì)算之前，為了驗(yàn)證本文計(jì)算方法的可行性，與日本Hiroyoshi的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，得出一致的結(jié)論，于是在此基礎(chǔ)上，對(duì)剛性胸鰭定常狀態(tài)下小攻角的水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，對(duì)非定常狀態(tài)下單自由度的前后拍翼運(yùn)動(dòng)、搖翼運(yùn)動(dòng)和上下拍翼運(yùn)動(dòng)以及兩自由度的搖翼、上下拍翼耦合運(yùn)動(dòng)，上下拍翼、前后拍翼耦合運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算，同時(shí)拓展到對(duì)三維柔性胸鰭的搖翼運(yùn)動(dòng)

4、情況分別進(jìn)行了計(jì)算，討論了胸鰭表面的壓力分布情況，研究了在不同計(jì)算工況下各水動(dòng)力系數(shù)的變化情況。最后，以藍(lán)鰭金槍魚(yú)為原型，建立了魚(yú)體+尾鰭+胸鰭的計(jì)算模型，選取一個(gè)水平截面，探討了二維魚(yú)體+尾鰭+胸鰭的非定常流場(chǎng)的數(shù)值模擬，以及三維魚(yú)體+尾鰭的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算，探討了由于尾鰭、胸鰭運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的渦流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，以及對(duì)推進(jìn)效果的影響。 本文的研究表明，對(duì)三維尾鰭而言，只有弦向變形柔性模式的選取對(duì)推進(jìn)性能有一定的影響，本文選取的非均勻載荷懸

5、臂梁變形方程效果更佳；在弦向變形的基礎(chǔ)上考慮展向變形，計(jì)算結(jié)果表明，柔性尾鰭的推進(jìn)性能相比較只有弦向變形時(shí)有進(jìn)一定的提高，并且在弦向展向相位角為90度時(shí)獲得的推進(jìn)效果最佳。建立的三維胸鰭運(yùn)動(dòng)模態(tài)與數(shù)值計(jì)算模型，為探討胸鰭在不同姿態(tài)下的水動(dòng)力特性提供了研究基礎(chǔ)，胸鰭運(yùn)動(dòng)一般分為基于阻力模式的運(yùn)動(dòng)和基于升力模式的運(yùn)動(dòng)，但在本文中僅以基于阻力模式的胸鰭運(yùn)動(dòng)作為研究對(duì)象，在以后的研究中，可以開(kāi)展基于升力模式運(yùn)動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，為深入研究胸鰭的運(yùn)動(dòng)做

6、準(zhǔn)備。同時(shí)建立的魚(yú)體＋尾鰭＋胸鰭數(shù)值計(jì)算模型，給出了尾鰭不同縱搖角情況下的渦量圖，可以從中看到比較明顯的渦脫落，說(shuō)明本文計(jì)算方法是可行的，能夠?yàn)樗绿綔y(cè)器的水動(dòng)力設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)控制提供設(shè)計(jì)依據(jù)。 本文有以下創(chuàng)新點(diǎn)：（1）在弦向變形的基礎(chǔ)上，又考慮展向變形對(duì)尾鰭水動(dòng)力性能的影響，得出弦向展向在相位角為90度的情況下，推進(jìn)效果要好于只有弦向變形時(shí)的推進(jìn)效果；（2）以三維胸鰭為研究對(duì)象，討論了剛性胸鰭單自由度、多自由度的水動(dòng)力性能，以及柔