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...     

非正弦俯仰运动对扑翼自主推进的影响

采用数值仿真耦合求解流体动力方程与扑翼运动方程,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,数值模拟了非正弦俯仰运动下扑翼在前进方向及侧向的自主推进,研究在静水中不同运动波形及俯仰频率对自主推进速度、自主推进效率及流场结构的影响.结果表明:非正弦波形调节参数K和俯仰频率对自主推进前进速度、前进距离影响很大,提高K或频率,可增...     

仿生蝙蝠扑翼飞行器设计及气动特性分析

研究仿生蝙蝠扑翼飞行器扑翼过程中的气动特性,分析蝙蝠扑翼飞行周期的扑动流程为展开—下扑—收缩—抬升,将飞行器翅翼主要分为驱动机构及折叠机构.运用UG软件进行三维建模后建立数学模型,并利用ADAMS软件仿真验证,分析得到扑翼飞行器运动参数.采用ADAMS-XFlow联合仿真,考察不同翼型、来流速度和扑动频率对气动特性的影响.仿真结果表明,本文设计的扑翼飞行器半椭圆翼飞行参数优于矩形翼;3 m/s的飞行速度为最佳飞行速度;扑动频率应控制在2 Hz.仿真结果能够为扑翼飞行器结构设计选型、飞行环境及飞行参数设定等提供理论参考.     

扑翼飞行二维情形数值分析

基于计算流体力学(CFD)方法对微扑翼飞行的非定常空气动力学问题进行研究,已被大多数学者所认可.在对昆虫飞行运动仿真模拟的基础上,建立了扑翼运动二维简化模型及运动方程,并利用FLUENT软件及其嵌入用户自定义函数(UDF)和动网格技术,分析了二维翼型在不同控制飞行参数(包括扑翼频率、最大转动幅值、平动和转动相位差等)下的平均升力和阻力系数.数值模拟所得结果为微扑翼飞行器的设计提供了参考依据.     

混合翼型对扑翼推进性能影响分析

以NACA0006翼型为基准翼型,将其前缘部分更换为相对最大厚度较大的NACA0008、NACA0010、NACA0015和NACA0020翼型前缘部分,组成混合翼型.通过流体仿真软件Fluent14.5对基准翼型及混合翼型进行数值模拟计算,并分析扑翼运动的推进性能.结果表明:混合翼型相较于基准翼型对扑翼运动推力系数和推进效率有显著提高.     

运动参数对近波面拍动翼推进性能的影响

研究水翼不同运动参数对近波面二维刚性拍动翼推进性能的影响。首先,根据计算流体动力学(CFD)建立了近液面水翼的计算模型,然后采用速度边界造波及动网格等方法对不同参数下水翼的运动及水动力性能进行模拟和分析,最后,计算比较水翼处于无界流中及近静水面时性能。研究结果表明:恰当的水翼摇摆与升沉间相位差能够有效增加翼推力,提高翼推进效率及波浪能利用效率。波面的存在及恰当的翼摇摆与升沉相位差可增加水翼尾涡梯度、减小涡分布范围,从而增加翼推力及效率。此外,水翼大摆幅角运动可获得较高的推力及效率,而大升沉幅度下水翼推力较高,但效率较低。     

基于XFlow的仿生扑翼飞行器机翼气动特性分析

通过空间曲柄摇杆结构产生的急回特性来实现仿生飞行器扑翼运动.为了探究仿生扑翼飞行器的气动特性的影响因素,采用玻尔兹曼模型的粒子跟踪方法模拟扑动过程中气动特性,基于计算流体力学仿真软件XFlow对不同翼型、翼展、翼平面形状进行仿真分析并探究对升力和推力的影响.结果表明:翼型弯度和翼展的增大能够增加扑翼飞行器的升力系数,推力系数随着弯度的增大而变小;通过综合分析得到翼展长度在2.5倍弦长时,气动特性最佳;不同翼面形状的机翼具有不同的气动性能,相对于机翼后缘几何形状,前缘对气动特性的影响较大.研究结果为扑翼飞行器机翼的系统设计提供了有益的指导.     

PMC边界手征负折射平板波导模式特性及场分布

从理论上分析了以理想磁导体(perfect magnetic conductor, PMC)为边界的手征负折射平板波导的模式特性及其磁场的具体分布. 利用PMC边界条件, 导出了手征负折射波导的色散方程和磁场各分量表达式. 通过波导的色散曲线发现, 当手征参数 κ>1时, 某些区域曲线出现下凹, 左旋圆极化(left circularly polarized, LCP)波的折射率为负值, 实现了负折射特性, 截止频率也不再是传播常数β=0所对应的频率. 根据传播常数β和k₊, k₋的关系, 将色散曲线分为3个区域, 给出了各区域一阶奇模和一阶偶模磁场的具体分布, 并与一般手征媒质平板波导的磁场分布作了比较. 结果发现, 切向分量场H_y,H_z 在上下边界处为零, 满足PMC边界条件. 而由于面磁流的存在, 法向分量H_x在边界处不为零.     

微飞行器前后同频双扑动翼的推进效果

为了解微飞行器前后双扑动翼的推进效果,该文通过在动态网格上求解Navier-Stokes方程,对前翼扑动后翼静止、前后翼同相扑动和前后翼反相扑动3种运动方式的流场进行了数值模拟和气动干扰的分析.前翼扑动后翼静止,其推力系数和推进效率比单翼扑动分别增加65%和44%;前后翼同相扑动时产生的推力甚至超过单翼扑动的2倍;但前后翼反相扑动时,推力大大减小,不足同相扑动的一半.结果表明,处于前翼扑动尾流中的后翼对气动特性影响很大.     

柔性扑翼的模型建立及其功率研究

在原有匀速刚性模型的基础上,提出考虑了扑翼扑动速率变化和形状变化的柔性扑翼模型,使之更接近鸟翼真实扑动情况.模拟计算了时柔性扑翼气动功率及扑动效率随着扑动角、来流速度等参数的变化,从气动角度解释了为何鸟在不同的飞行阶段扑翼规律各不相同,为柔性扑翼飞行器的设计提供了理论依据.     

水平轴潮流能水轮机耦合运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴水轮机的水动力特性发生变化,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的三维水动力特性进行研究.结果表明:水轮机轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,且横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷及能量利用率的计算结果与只发生纵摇运动的计算结果基本相同;横摇和纵摇耦合运动时横摇力矩计算值的波动幅值比只发生横摇运动时的大;横摇和纵摇耦合运动时纵摇力矩的计算值与只发生纵摇运动时的计算值存在差异,横摇频率越大,差异越明显.研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机的结构设计及电能控制等提供相关数据.     

高速滑行艇“海豚运动”现象的实时数值预报方法

基于计算流体力学软件FLUENT及滑行艇纵向运动方程,编写了耦合求解滑行艇纵向运动响应特性的数值预报程序,进行了均匀来流中三维滑行艇模型"海豚运动"现象的数值模拟,分析了滑行艇在不同航速及重心位置条件下的升沉、纵摇运动特性.结果表明:当滑行艇的重心与艇艉的距离lg=0.231L(L为艇长),体积Froude数Fr▽≥2.7时,滑行艇出现"海豚运动"现象,且艇体的升沉量、纵倾角和响应频率均随着航速的增加而增大;当Fr▽=5.0,滑行艇重心处于lg=0.381L,0.351L时均出现"海豚运动"现象,且其升沉量、纵摇角的幅值和响应频率均随着重心纵向位置移向艇艉而增大.     

半潜式海上浮式风力机平台设计及水动力响应

 为了开发海上风能资源,探索浮式风力机平台响应特性,设计了一种半潜式海上浮式风力机平台样机。利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和Morison方程计算水动力载荷,并根据阻尼矩阵计算阻尼力和系泊线载荷,建立了海上浮式风力机运动响应数值模型。制作了1/50的试验模型,并在水池进行水动力实验,对垂荡板在设计中的作用进行了验证,测量了模型的固有周期、衰减系数以及规则波条件下的响应等,对比发现数值模型结果与实验结果吻合较好。在无风和额定工况下进行系统随机响应特性数值分析,通过统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响。发现该系统数值模型时效性好并可以真实反映浮式风力机平台的运动特性,平台垂荡、纵摇、纵荡的响应结果满足海上浮式风力机系统对平台的性能要求。设计中加入垂荡板使平台垂荡和纵摇的固有周期和衰减系数增加,提高了系统的稳定性。风力机气动载荷对纵摇传递函数产生有益的抑制,但会放大纵摇和纵荡在共振区的响应。     

南海桁架式深吃水立柱式平台水动力性能

应用三维势流理论、非线性时域动力耦合分析方法以及深海平台混合模型试验研究方法,针对我国南海北部一座15 km桁架式深吃水立柱式平台（Truss Spar）,在不同海况下对作业装载的平台锚泊系统进行了截断水深模型试验、数值重构研究,并数值外推到全水深,较好地预报了其水动力性能,包括纵荡、垂荡和纵摇. 经分析：Truss Spar平台的垂荡、纵摇低频运动分量较大,同时纵荡也表现出很强的低频特性;此外,平台具有较小的垂荡运动幅值,垂荡性能较好,能较好地满足海上油气生产的要求.     

规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动模拟与特性分析

采用MMG分离模型的思路,在船舶六自由度操纵性运动方程中叠加波浪垂荡力和纵摇力矩,构成波浪中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合动力学模型,用来模拟规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动特性。其中的波浪力由切片法计算,船舶航向保持采用PD控制模式。采用耦合动力学模型计算了某船在规则波中保持航向时的垂荡、纵摇运动,并与试验结果进行了比较。两者的幅频曲线形式上基本一致,间接证明了耦合动力学模型的有效性。进而采用该模型计算了该船在不同浪向角和航速下保持航向稳定的垂荡、纵摇运动,以垂荡、纵摇等值极坐标曲线形式表征了船舶规则波浪中操纵与垂荡、纵摇的耦合运动特性。     

深海几何形单柱式平台的运动分析

基于三维源法和Pinkster近场法分析了几何形单柱式平台(Geometric Spar)的运动特性,计算了其在不同频率下的水动力系数、一阶波浪干扰力(力矩)和二阶波浪慢漂力(力矩)以及一阶运动响应,平台上加装的垂荡板根据Morison公式计算.将理论得到的纵荡、垂荡和纵摇运动的一阶运动响应函数、运动谱以及统计值与相应的试验结果进行了比较,试验中浪向角180°,波浪采用西非的极限波浪.结果表明:理论值与试验结果符合较好;几何形单柱式平台纵摇运动的低频分量不可忽略;平台八角形的截面形状加上垂荡板使得这种柱型平台在深海开采中具有一定的优势.     

漂浮式潮流电站载体水动力性能分析

基于三维势流理论,在频域范围内,采用DNV船级社的SESAM软件系统,对某漂浮式潮流电站进行了水动力性能分析。通过分析,得出了横摇、纵摇、垂荡等响应变量的传递函数;结合载体实际工作时所处的海况,得出响应谱,并对其耐波性进行短期预报。计算结果表明,载体在横浪下垂荡和横摇较剧烈,各个浪向角下纵摇较接近。     

一种双频天线俯仰连动机构设计

天线座架的俯仰机构带动天线反射面做俯仰运动,是满足天线通信性能要求的重要部件。通过对传统0.9m KaKu双频平板阵列天线俯仰机构结构设计方案进行分析,确定了双频平板天线新型俯仰连动机构详细设计方案。新型俯仰连动机构具有结构简单,加工成本低,可操作性好,重量轻等优点,能有效解决现有天线俯仰机构存在的不足,目前该新型机构已经在多个站型的天线上得到了应用,效果良好。     

五体船侧体布局对纵向运动性能的影响

针对五体船前后侧体的不同位置，分析了侧体布局对五体船纵向运动的影响.采用Rankine面元法计算了五体船在规则波中前后侧体12种布置方案下的纵向运动响应RAO，分析了前后侧体纵向、垂向位置变化对船体运动的影响规律.考虑非线性因素，在非规则波中计算了五体船运动响应时历，比较了高、低航速时侧体位置变化对运动响应有义值的影响特点.分析结果表明：五体船前后侧体布局对运动的影响与航速密切相关，后侧体在低航速时靠近船中布置、高航速时靠近船尾布置更有利于减小船体垂荡运动；通过降低前侧体垂向高度和靠近船首布置有利于减小五体船垂荡和纵摇运动.     

重心高度对浮式结构水动力性能的影响

 通常在计算模拟海上浮式风机平台运动时, 外部结构形式是影响水动力性能的主要因素, 而重心在水动力计算中的影响则被忽略.为了研究重心变化对结构物水动力响应的影响, 以5MW浮式风机平台作为研究对象, 通过数值模拟的方法, 分别对浮筒间距、撑杆形式以及有无垂荡板与重心高度变化结合加以分析研究.结果表明:改变浮筒间距时, 重心高度对水动力性能的影响主要体现在横、纵摇及横、纵荡方面, 且浮筒间距较大的基础形式达到峰值响应时的重心更低;斜撑的改变与其随重心变动得到的运动幅值规律一致, 且峰值响应之后的各响应幅值在数值上基本相同;垂荡板的添加有效降低了纵摇及垂荡幅值;对于三浮筒半潜式平台, 最佳重心位置为水下3~8m处.