前置水翼对摆动翼水动力性能影响机理研究

为研究双体干扰对摆动翼水动力性能的影响机理,基于计算流体力学(CFD)方法,针对均匀来流、前置水翼刚性静止及柔性波动尾流场中摆动翼的水动力性能开展数值研究．通过改变摆动翼的平移幅值和运动频率计算推力系数、功率消耗及推进效率的变化趋势,以流场的压力分布云图、纵向速度分布云图及涡结构的演变特征分析前置水翼对摆动翼推进性能影响的机理．计算结果表明：前置水翼的存在能够提升摆动翼的推进性能,并且前置水翼进行柔性波动运动时摆动翼的推进性能最优;前置水翼的尾缘脱落的涡能够融于摆动翼表面的附着涡,提升附着涡的强度;上游的柔性波动水翼尾缘处脱落一个强度较大的尾缘涡,对摆动翼表面的附着涡产生挤压作用,提升附着涡的强度并加速附着涡的脱落．     

串列异步拍动翼推进性能分析

以滑波推进器为原型,基于RANS方程,采用动网格技术计算了6翼异步拍动翼串列时的水动力性能,探讨了来流、摆幅角、翼间距、运动周期和升沉幅度等对其推进性能的影响,并建造样机.计算结果表明,串列异步拍动翼不同位置翼表现出不同的性能,且任一位置翼比单片异步拍动翼产生更大的推力.尾涡分析表明,翼间涡系干扰是不同位置翼性能不同的主要原因,且其干扰对推力的产生有利,小间距时可产生更大推力.     

高频同相扰动信号对升沉扑翼水动力性能影响

为探究外界输入正弦扰动信号对升沉扑翼推进性能和尾涡结构的影响,采用数值模拟方法研究了在一个升沉扑翼的基础正弦输入信号中加入高频同相正弦扰动．数值计算结果表明：在大多数情况下,引入扰动增加了轴向推力,尤其是当基频为0.50 Hz时,外加12 Hz扰频促使轴向推力增加至原来的843.5%．计算结果证实：仅在基频较低的情况下,升沉扑翼能拥有良好的推进效率,随着基频或扰频的增大,扑翼推进效率均呈下降趋势．结果表明：当最低基频为0.50 Hz时,随着扰频的增加,尾涡结构在扰频为4 Hz情况下开始由无明显涡脱落模式转换为2S模式;当基频为0.75 Hz时,尾涡结构随着扰频的增加由2P模型转换为2S模式;在1.00,1.25,1.50,1.75Hz基频情况下,尾涡结构随着扰频的增加由2S模式变得杂乱．     

仿海蟹机器人游泳足水动力学分析与实验研究

以生物梭子蟹为仿生原型,提出一种足桨耦合驱动仿海蟹机器人。该机器人采用三对步行足和一对游泳足的结构形式,基于爬行推进与拍动翼复合推进的方式,兼具形态仿生和功能仿生的特点,可实现水下行走与水中浮游的双重功能。通过对游泳足推进方式进行数值模拟和实验研究,结果表明:升力模式推进在水翼上挥和下拍过程中均产生正推力,推进效率相对较高;随着拍动幅度的增加,平均推力和推进效率都明显降低;推进效率与拍动频率呈抛物线关系;当斯特劳哈尔数Sr在0.4~0.6范围内时,升力模式的推进效率最大,当Sr在0.8~1.0范围内时,阻力模式的推进效率最高,两者所对应的尾涡脱泻均呈反卡门涡街形式;游泳足水翼的厚度对水动力性能也有影响,相对薄的水翼不仅能增加平均推力,还能降低系统的总能耗,因此更适合推进。     

几何参数对三维仿生运动翼推进性能的影响研究

为了研究几何参数对三维仿生运动翼推进性能的影响,基于IB-LBM算法开发了可在天河2号超级计算机上运行的大规模并行求解器。实现过程包括用浸入边界法在翼型表面构造力函数,并通过插值函数将翼型表面的力函数分散到周围流体网格点,然后通过格子波尔兹曼方法进行流体计算,更新速度场。以椭球翼、平板翼、NACA0012翼、长方体翼为研究对象,系统研究了仿生翼的几何形状对推力系数与涡系结构的影响。研究表明:椭球翼表面的涡系结构饱满且距离翼型表面最近,其推进性能最好;NACA0012翼和平板翼的涡系结构类似,推进性能相近;长方体翼由于钝体效应导致涡系结构细小且距离翼型表面较远,其推进性能最差。研究结果表明,在仿生飞行器设计中,应避免采用类似于长方体外形的钝体仿生翼,椭球翼推进性能最佳,但是由于椭球型质量分布导致对仿生飞行器连接部位质量要求较高,可采用推进性能相近的平板翼。     

水翼双体船升沉/纵摇鲁棒控制与视景仿真研究

针对高航速下水翼双体船升沉、纵摇运动问题,提出水翼上附加可控式襟翼结构,建立了水翼双体船运动控制系统数学模型,采用鲁棒H_2/H_∞控制的方法来控制前后襟翼角转动,使其提供相应的扶正力和力矩,减小船体升沉、纵摇运动;同时结合MultiGen Creator、Vega和VC++6.0软件开发平台,设计实现了水翼双体船升沉/纵摇运动控制视景仿真系统,给出了在VC++中构建的运动控制数学模型算法模块,以及串口通信技术来实现实时的物理通信。仿真结果表明,所提控制方法可有效减小水翼双体船的升沉、纵摇运动,提高了水翼双体船的适航性,同时搭建的视景仿真系统更形象直观地展现了运动控制过程,具有交互性高、实时性好的优点。     

非正弦摆动对水翼水动力性能的影响

针对高斯特哈尔数(St)时水翼常规正弦摆动的性能不佳状况,基于CFD软件的RANS求解器和动态流体固体相互作用模块,数值研究了水翼多种非正弦的改进摆动对水翼性能的改善作用,及常规摆动性能降低的趋势和原因.计算结果表明:水翼常规摆动时,随St增大,尾涡由反卡门涡街逐渐变为单排涡列,引起了水动力迅速下降;随着最大攻角增大,性能降低的St临界点上升.在常规摆动性能大幅降低的St范围内,改进摆动可以有效提升水翼的推力和效率;改进摆动对有效攻角的调整变化越扁平,最大攻角小于20°时推力增幅越大,大于20°时越小.     

柔性扑翼水动力特性试验研究

为探究扑翼自身刚度和运动参数对其水动力特性的影响,依托仿生扑翼推进试验平台,实现扑翼的俯仰-升沉结合运动.使用六轴力/力矩传感器记录扑翼运动过程中的力学参数,同时利用高速相机记录扑翼运动情况;对力学数据进行均值化及归一化处理得出扑翼水动力特性随刚度及运动参数的变化规律;对图像进行处理,绘制出扑翼尾端点运动轨迹.试验结果表明:低刚度扑翼在低频下推力表现优异;扑翼刚度对推力稳定性起着重要作用;扑翼运动轨迹随着刚度增加,从杂乱无章演变为8字形,最终演变为弧线形.     

仿鱼类游动模式下的摆动翼水动力性能研究

以二维NACA0012水翼为计算模型,基于计算流体力学(CFD)方法,采用RNGk-ε湍流模型,利用动网格技术,数值计算了不同斯特哈尔数(St)下正弦摆动模式(SM)水翼的平均推力系数,通过与实验对比,验证了计算方法的有效性.基于鱼类身躯的柔性波动,建立了仿鱼类摆动模式(FM)水翼的动力学模型,探讨了不同侧向平移幅值下,两种模式水翼的推进性能.计算结果表明:FM水翼的平均推力始终大于SM水翼,侧向平移幅值为0.8c (c为水翼弦长)处,有最大增量7.2%.尾涡分析表明:侧向平移幅值较小时,两种模式水翼脱落涡呈反卡门涡街形式,FM水翼脱落涡强度高、耗散快;随着侧向平移幅值增大,涡系诱导作用增强,侧向射流增强.     

改进型振荡水翼水动力试验及机理

针对不同前缘结构形式的三维水翼进行水动力模型试验,研究在不同摆动速度下水翼的水动力性能,分析不同波浪形前缘结构对水翼性能的影响.选取性能较优的波浪形前缘水翼与普通前缘水翼进行CFD数值模拟,对其流场进行分析,探究波浪形前缘结构对水翼边界流动的扰动机理.研究结果表明:随着摆动速度的增加,水翼的升力、阻力和扭矩都会有不同程度的增加;前缘波浪形水翼凸起的波幅和波长同时较大时对水翼性能的提升有较大的影响;前缘波浪结构能有效减弱水翼吸力面涡流分离对整体性能的扰动,沟槽内的流动对水翼尾流能够起到使其重新贴附翼面的作用,提高水翼的水动力性能.     

三维摆动水翼仿生推进水动力分析

为了观察三维摆动水翼运动时表面压力的分布以及对流场域的影响,以NACA翼型和展弦比为1.5的NACA0012翼型为算例,采用计算流体力学方法分析了摆动水翼的水动力特性。为了提高网格质量,计算域被分为包含摆动水翼的运动域、包含摆动水翼的尾流场域以及除此之外的静止域3部分,并采用不同的网格划分条件对其进行离散,离散方程采用k-ω湍流模型求解,静止域和流体域之间采用重叠网格方法实现模拟,并利用交界面技术实现数据传递。分析了不同斯特罗哈尔数(St)条件下摆动水翼所受的推力、升力和力矩,研究了流场中速度以及压力分布,通过数值结果分析尾涡产生的机理。     

空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨数值模拟

基于雷诺平均纳维-斯托克斯方法对空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨进行了数值模拟,螺旋桨旋转与升沉运动的耦合采用自主定义的运动方程来实现,升沉运动简化为基于正弦函数运动规律的周期性运动,非定常流场的数值传递采用重叠网格技术实现.对不同升沉运动周期下的螺旋桨非定常推力系数、扭矩系数进行了分析,对螺旋桨的非定常空泡性能以及尾流特征进行了对比研究.结果表明:升沉运动会加剧推力系数和扭矩系数的非定常特性,并导致螺旋桨片空泡的非均匀分布;升沉运动周期越小,桨后涡结构的干扰效应越强,螺旋桨诱导的脉动压力幅值越大.计算结果对螺旋桨的优化设计具有一定的理论参考意义.     

尾鳍柔性变形对仿金枪机器鱼自主游动的影响

以自由游动为基础,研究和探讨了尾鳍柔性对仿金枪鱼水下机器人自主加速及巡游运动的影响.首先应用计算流体动力学(CFD)技术建立自主游动的计算模型,然后对不同柔性变形参数下的仿金枪鱼的运动和水动力性能进行模拟和分析.结果表明:当仿金枪鱼自主加速到稳定巡游时,其阻力和推力达到平衡;尾涡对推力有增加作用.弦向柔性变形相位角、变形位置、变形幅度及拱度对自主游动的巡游速度和尾鳍水动力性能有重要影响.使弦长前半部分也发生变形可以提高推进效率;当柔性变形落后横移运动π/2相位或取适当的变形幅度和拱度时,仿金枪鱼自主游动的推进效率取得极大值.     

扑翼不同的运动方式对其获能影响的数值模拟

翼型在风或水流中扑动既可以作为一种推进方式也可以在改变运动参数后从中获取能量. 通过控制波形参数得到扑翼的升沉和俯仰运动波形, 并利用非定常数值模拟来研究St数、俯仰幅值和升沉俯仰运动的波形对其获能效率的影响. 同时, 还研究了不同的扑动俯仰轴位置对扑翼获能效率的影响. 研究结果表明, 在获能参数域内俯仰运动的波形和俯仰轴位置会对扑翼获能产生较大的影响, 而升沉运动的波形对扑翼获能的影响有限, 且当St=1.332,θ₀=76.3, β_t和β_r分别为1.13 (此时的俯仰波形为接近正弦波)和0.67时, 翼型扑动获能的效率最高, 为41%.     

振荡翼改进模型的水动力性能分析

为了改善水翼的水动力性能,提高振荡翼的能量转化效率,基于传统运动模型提出了改进模型.利用Fluent建立了翼型的网格模型,并从水翼在运动过程中攻角(AOA)的变化及漩涡结构等方面分析了改进模型在不同运动参数下的水动力性能及能量转化效率.结果表明:改进模型在较长时间段内维持较大的升力系数,提高了水翼的水动力转化效率.与传统运动模型相比,在相同的最大攻角下,提出的改进模型有更好的水动力性能,且其能量转化效率超过40%.     

近自由面三维振动水翼的水动力分析

采用非定常面元法对近自由面三维振动水翼进行势流数值分析.在数值计算中,将Rankine源和偶极子置于边界面上,用时间步进法模拟水翼的势流场和自由表面波形.在自由面采用线性自由面边界条件,在尾涡面上布置偶极子及采用尾涡存储效应以满足库塔条件.确定了数值计算模型和相关参数,对不同展长的水翼在不同浸深、不同航速和不同振动频率...     

近自由面水翼性能分析

为了研究近自由面下水翼附近的黏性流动,通过有限体积法对雷诺时均N-S方程进行数值求解,速度压力耦合方式采用SIMPLEC解法,用流体体积函数模型来捕捉自由液面。首先将数值计算结果与实验值进行对比以验证所用数值方法的可行性,随后进一步研究了水翼的兴波、表面压力分布以及其水动力性能,并针对翻卷波现象进行了分析。从计算结果可以看出,距离自由面越近,水翼的升力和阻力越小。当水翼距离自由液面4倍弦长距离后,自由液面的影响基本可以忽略。     

三维拍动翼推进效率的计算方法

针对国内外学者对拍动翼的研究多集中在水动力性能分析与流场模拟方面,而对其推进效率的计算方法尚无科学严谨论述的现状,提出一种计算拍动翼推进效率的方法.采用基于速度势的面元法计算了三维拍动翼的平均推力系数,通过与Fluent数值模拟计算值及相关实验结果的对比,证明了面元法程序在计算中的有效性.在此基础上,结合理论力学和分析力学的基本理论,推导拍动翼推进效率的计算公式,应用面元法实现其推进效率的数值计算.推进效率计算值与实验结果的比较表明,所提出方法适用于三维拍动翼推进效率的计算.并分析了转动幅度和频率对平均推力系数和推进效率的影响.     

摆动频率影响扑翼推进水动力的数值仿真研究

通过建立简谐运动耦合的二自由度扑翼运动模型,基于动网格技术对水下扑翼推进水动力特性展开数值仿真研究。通过数值仿真发现：扑翼推进力和最大升力与扑翼摆动频率的平方近似成正比;摆动频率影响前沿涡和尾涡的产生和脱落,从而影响推力     

仿生扑翼型机器鱼驱动机构的设计

基于仿生学原理,模仿鸟类和昆虫飞行的翼和鱼的新月型尾鳍的推进机理,提出一种仿生扑翼型机器鱼的设计方案,利用机械、电子元器件或智能材料实现该机器鱼的水下复合推进,采用曲柄摇杆机构实现该机器鱼扑翼运动,具有运动形式简单、效率高、重量轻的特点;模仿鳢科加新月形尾鳍推进模式,使机器鱼的尾鳍简化为刚性的水翼,该水翼可做平动与绕自身轴摆动的复合运动;使用弹簧作为连接尾鳍与舵机的力传输元件,有效降低运动的能量损耗;在机器鱼尾部使用沉浮舵,由舵机旋转驱动拉杆产生倾覆力矩,在扑翼和尾鳍的推力作用下实现上浮和下沉。