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仿鱼类摆动尾鳍推进系统的水动力研究

作　者: 张曦
导　师: 苏玉民
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 工程力学
关键词: 计算流体力学水动力水下无人航行器摆动尾鳍自主游动
分类号: U664.3
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

鱼类等水下生物具有高效游动和准确定位的能力。同鱼类的游动相比较，应用在无人水下航行器上（Underwater Unmaned Vehicle, UUV）的传统推进系统由许多螺旋桨组成。这些螺旋桨分布在多个方向上，用来推进和操纵艇体。传统的推进系统往往占用较大的空间消耗较多的能量。近年来，越来越多的仿生推进系统样机被开发出来。在这些系统中，鱼体-尾鳍（Body and Caudal Fin, BCF）模式最为普遍。因此，BCF模式的鱼类游动引起了众多学者的关注。本文以研究仿鱼类摆动尾鳍推进系统的水动力性能为目的，在研究过程中，以计算流体力学方法（Computational Fluid Dynamics, CFD）为主要工具，分析了仿鱼类摆尾推进系统的推进性能。首先，为了研究摆尾推进系统在复杂流场中的推进性能，采用求解RANS方程的方法计算了二维摆动水翼在振动半圆柱扰动流场中的水动力性能。分析了来流旋涡和水翼摆动生成旋涡之间的相互作用模式。计算结果显示来流旋涡对水翼的水动力影响很大，水翼能够从来流旋涡中吸收能量，提高推进效率。其次，研究了尾鳍形状和柔性变形对摆尾推进系统水动力性能的影响。一方面，对三种不同形状（仿金枪鱼、仿海豚、仿白鲸尾鳍）摆动尾鳍的水动力性能进行了计算。计算结果和实验结果的比较表明非定常面元法和求解RANS方程的方法都是有效的。尾鳍形状特别是投影面积对摆动尾鳍的水动力性能有重要影响。通过对三种不同形状尾鳍的水动力性能进行比较发现：仿金枪鱼摆动尾鳍的脱落涡分布范围最小，推进效率最高。另一方面，研究了具有弦向变形的柔性摆动尾鳍的推进性能。讨论了弦向变形相位角对柔性摆动尾鳍水动力性能的影响。研究表明弦向变形相位角能够减小输入功率，提高推进效率。通过调整弦向变形相位角可以节省能量。再次，研究了非对称运动对仿鱼类摆尾推进系统的影响。分别计算了非对称纯摇摆运动、非对称纯升沉运动、摇摆偏移非对称摆动运动和升沉偏移非对称摆动运动这四种非对称运动下摆尾推进系统的水动力性能。研究表明非对称运动的尾鳍在一个运动周期内产生非对称的水动力。摇摆偏移能够导致侧向力在一个运动周期内的平均值非零。升沉偏移引起了水动力变化的不连续。因此，对原来的升沉偏移非对称模型进行了改进，以消除水动力的跳跃。此外，脱落涡也受到非对称运动的影响，其分布也不再对称。最后，采用求解RANS方程的方法数值模拟了以“仿生-I”为原型的仿金枪鱼水下机器人的自主游动过程。提出了一种解决流体-运动耦合问题的方法。以弹簧原理为基础的动网格技术结合网格重构技术保证了计算网格的质量。计算结果和实验结果的比较表明这种计算方法是有效的。此外，研究表明尾鳍的摆动频率、侧向运动振幅和摇摆运动振幅对金枪鱼的巡游速度、水动力性能以及脱落涡有很大的影响。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-26
  1.1 概述  12-14
    1.1.1 鱼类游动研究的意义  12-13
    1.1.2 鱼类游动研究的应用背景  13-14
  1.2 鱼类游动模式分类  14-16
    1.2.1 鱼类游动模式的分类方法  14-15
    1.2.2 BCF 游动模式  15-16
  1.3 仿鱼类摆动尾鳍推进系统的研究进展  16-23
    1.3.1 仿鱼类摆动尾鳍推进系统的理论研究  17-19
    1.3.2 仿鱼类摆动尾鳍推进系统的实验研究  19-23
    1.3.3 仿鱼类 BCF 模式水下机器人研究现状  23
  1.4 论文的主要内容  23-26
第2章水翼在振动半圆柱扰动流场中的水动力性能分析  26-40
  2.1 引言  26
  2.2 数值计算方法  26-29
    2.2.1 控制方程  26-27
    2.2.2 SIMPLE 算法  27-28
    2.2.3 湍流模型  28
    2.2.4 网格变形方法  28-29
  2.3 二维振动半圆柱的水动力性能计算  29-32
    2.3.1 物理模型  29-30
    2.3.2 计算结果分析  30-32
  2.4 刚性摆动水翼在振动半圆柱扰动流场中的水动力性能计算  32-38
    2.4.1 数值计算模型  32-33
    2.4.2 数值计算结果  33-38
  2.5 柔性摆动水翼在振动半圆柱扰动流场中的水动力性能计算  38-39
    2.5.1 数值计算模型  38-39
    2.5.2 数值计算结果  39
  2.6 本章小结  39-40
第3章尾鳍形状和柔性变形对摆动尾鳍推进性能的影响  40-66
  3.1 引言  40-41
  3.2 数值计算方法  41-46
    3.2.1 尾鳍运动模型  41-42
    3.2.2 数值计算方法  42-46
  3.3 尾鳍形状对摆动尾鳍水动力性能的影响  46-59
    3.3.1 三种形状尾鳍的几何参数  46-48
    3.3.2 水动力试验  48-49
    3.3.3 三种形状尾鳍的水动力性能  49-59
  3.4 弦向变形相位角对尾鳍水动力性能的影响  59-65
    3.4.1 柔性变形模型  59-60
    3.4.2 不同弦向变形相位角下柔性尾鳍的水动力性能  60-65
  3.5 本章小结  65-66
第4章非对称运动对摆动尾鳍推进性能的影响  66-92
  4.1 引言  66
  4.2 计算方法  66
  4.3 非对称运动尾鳍的水动力性能分析  66-90
    4.3.1 非对称纯摇摆运动尾鳍的水动力性能分析  66-71
    4.3.2 非对称纯升沉运动尾鳍的水动力性能分析  71-79
    4.3.3 摆动尾鳍在摇摆偏移影响下的水动力性能分析  79-83
    4.3.4 升沉偏移非对称摆动尾鳍的水动力性能分析  83-90
  4.4 本章小结  90-92
第5章仿金枪鱼水下机器人自主游动的数值模拟  92-120
  5.1 引言  92
  5.2 计算模型  92-97
    5.2.1 仿金枪鱼的几何模型  93
    5.2.2 仿金枪鱼水下机器人的运动规律  93-94
    5.2.3 数值计算方法  94-97
  5.3 仿金枪鱼水下机器人自主游动过程的数值模拟  97-104
    5.3.1 仿金枪鱼水下机器人自主游动的运动特点  98
    5.3.2 仿金枪鱼水下机器人自主游动过程中尾鳍非定常水动力性能  98-99
    5.3.3 鱼体对尾鳍水动力性能的影响  99-101
    5.3.4 仿金枪鱼水下机器人自主游动过程中尾涡的变化  101-104
  5.4 摆动尾鳍的运动参数对仿金枪鱼水下机器人自主游动的影响  104-117
    5.4.1 摆动尾鳍的运动频率对仿金枪鱼水下机器人自主游动的影响  104-109
    5.4.2 摆动尾鳍的横移振幅对仿金枪鱼水下机器人自主游动的影响  109-113
    5.4.3 摆动尾鳍的摇摆振幅对仿金枪鱼水下机器人自主游动的影响  113-117
  5.5 本章小结  117-120
结论  120-124
参考文献  124-134
攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果  134-136
致谢  136

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