仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.     

仿生机器鱼快速启动的水动力性能数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自由游动的计算模型,对仿生金枪鱼模型的C-型快速启动进行了模拟.鱼体由静止开始,经过C-型快速启动之后,进入滑行阶段.对整个过程中鱼体的游动性能、水动力性能、流场速度矢量分布和三维涡结构进行分析.结果表明:在阶段1,鱼体后部快速地弯曲成C-型,首摇角速度ωz快速向负向(顺时针方向)增加至峰值之后缓慢减小,导致鱼体快速转向;在阶段2,鱼体后部快速地弹出C-型,首摇角速度ωz快速向正向(逆时针方向)增加至峰值之后迅速减小,同时纵向速度(Ux)快速向前进方向增加至幅值之后保持不变;在滑行阶段,鱼体以C-型启动获得的Ux向前滑行;在整个C-型启动阶段共有两个涡环产生,每个涡环产生一个射流,在阶段1产生的射流使得鱼体快速转向,在阶段2产生的射流使得鱼体快速向前滑行.     

滑行艇静水直航及波浪中运动的数值模拟

为准确估算滑行艇的水动力性能,基于RANSE VOF求解器,选取滑行艇拖曳阻力模型实验和耐波性模型实验,采用切割体网格和整体动网格技术,对滑行艇在静水中的高速直航和在规则波浪中的迎浪运动进行了多自由度数值模拟.为验证模拟的真实性,将模拟计算值与实验值进行比较,结果表明,计算流体动力学技术可以准确且高效地模拟滑行艇在静水以及波浪中高速航行时的运动姿态和水动力特性,为滑行艇设计提供可靠的参考依据.     

艇桨及外挂吊舱之间水动力性能干扰分析

基于CFD技术,采用RNGk-ε湍流模型及混合网格技术,数值模拟了某潜器孤立艇体、孤立螺旋桨、艇体吊舱模型、艇桨模型以及艇桨吊舱模型的水动力性能.分析了艇体、螺旋桨以及吊舱之间的相互干扰.计算结果显示:吊舱对艇体阻力和螺旋桨推力干扰较小;直航时,由于吊舱的存在,艇体吊舱模型产生了纵倾力矩以及升力,艇体阻力略有减小;艇桨干扰对艇体表面压力分布影响较大,以1.5m/s匀速航行时,由于螺旋桨的存在,艇桨模型中艇体总阻力增加18.03%,艇桨吊舱模型中潜器(艇体和吊舱)总阻力增加17.63%.     

桨前节能装置节能效果的理论预报方法

针对节能装置节能效果的预报仍然依赖模型试验,理论方法对节能效果的预报存在较多困难的问题,提出了一种基于面元法和RANS(Reynolds Average Navier Stokes)方程的桨前节能装置节能效果的理论预报方法,并以此准确预报了某肥大型船裸船体及安装节能装置后船体桨盘面的伴流场,在此基础上,采用低阶面元法,编写了在该伴流场中螺旋桨非定常水动力性能的预报程序,预报了螺旋桨前置导管、补偿导管和整流鳍的节能效果.计算结果表明,采用该方法预报桨前节能装置的节能效果是可行的,安装3种节能装置后,螺旋桨的效率均有显著提高.     

基于面元法的舵球鳍组合节能装置理论

根据桨舵干扰思想,采用以速度势为基础的低阶面元法计算了均匀流中的螺旋桨与舵 舵球 鳍系统相互干扰的定常水动力性能,比较了普通舵及加装舵球、舵球鳍的舵的节能效果,并对影响舵球鳍节能效果的主要参数(舵球尺寸、鳍片尺寸和安装角度)进行了变尺度计算与分析. 计算结果表明,舵球鳍节能效果较舵球为佳,并具有节能效果最佳的尺寸及安装角度.     

基于动网格方法的拍动平板升力分析

针对微型飞行器,采用动网格方法计算了旋转超前、同步、滞后3种拍动模式下的平板升力性能.通过比较分析二维、三维拍动平板的升力性能以及尾涡分布变化,探讨了拍动平板升力性能与其运动规律的关系.计算表明：旋转同步和超前模式下的平板升力系数明显高于旋转滞后模式下的平板升力系数;二维、三维平板升力系数均随角振幅的增大而减小,随相位差的增大而增大,拍动振幅的影响相对较小;角振幅较大时,旋转超前模式中三维平板升力系数均明显高于二维平板升力系数,旋转同步模式中二维、三维平板升力系数变化不明显,旋转滞后模式中仅当小角振幅且小平移振幅时,三维平板升力系数增加较大.     

微小型水下航行器广义S型模糊神经网络控制

为提高微小型水下航行器运动控制的机动性和避障能力,提出一种广义S型模糊神经网络(SFNN)控制方法.采用广义Sigmoid函数作为隶属函数,并推导出基于最小扰动的网络学习方法补偿敏感性.与Gauss型模糊神经网络(FNN)进行比较并以"微龙"号水下航行器为研究对象进行了试验研究.结果表明,采用广义SFNN控制,在没有损失整体控制品质和稳定性的情况下,控制系统响应速度大幅度提高,反应能力增强,从而满足微小型水下航行器的实时控制要求.     

梢涡对拍动平板升力性能的影响

采用有限体积法求解黏性Navier-Stokes方程,以动网格方法基于弹簧变形原理结合拉普拉斯网格重绘方法光顺网格,分析了Re=100时2-D、3-D拍动平板的升力、阻力性能以及尾流场,并采用并行计算求解3-D问题以节省计算时间.通过计算旋转同步、滞后2种拍动模式下平板升力性能,以及拍板运动过程中流场压力分布的变化,探讨梢涡对拍板升力性能的影响.计算结果表明,在旋转滞后模式下梢涡使拍板的升力系数有较大增加,而旋转同步模式下仅使拍板的升力系数稍有增加,说明梢涡对拍板升力性能的影响与拍板运动参数有重要关系.     

滑波航行器的水动力试验

摘要： 设计建造了滑波航行器的原理样机--漫步者I,并在水池中进行了静水环境下阻力试验、规则波中自航试验及无约束迎浪航行试验.研究了滑波航行器静水阻力成分以及规则波波长与波幅对滑波航行器浮体升沉幅度、纵摇角度、滑波推进器推力值及无约束航行航速的影响,得到了一系列波长、波幅下各参数变化的趋势.试验结果为数值计算提供了新的研究方向,为研发大航程低碳型无人水面艇奠定了技术基础.