仿金槍魚擺動(dòng)尾鰭的水動(dòng)力性能與推進(jìn)機(jī)理研究.pdf

1、金槍魚、海豚、鯊魚等水中生物游動(dòng)時(shí)具有高效、高速、低噪聲等特點(diǎn)，將它們游動(dòng)時(shí)所采用的推進(jìn)方式應(yīng)用到水下航行器中的研究工作，對(duì)于提高水下航行器的運(yùn)動(dòng)、隱身性能有著十分重要的意義。因此，本文以探尋尾鰭擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尾渦結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為目的，采用計(jì)算流體力學(xué)的方法，研究了仿金槍魚擺動(dòng)尾鰭的水動(dòng)力性能與推進(jìn)機(jī)理。
　　 論文中，首先計(jì)算了二維、三維水翼的定常水動(dòng)力性能，探討了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)、計(jì)算參數(shù)等對(duì)水翼的流體動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果的影響，并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的

2、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)顯示。然后進(jìn)行了二維剛性、柔性擺動(dòng)水翼水動(dòng)力性能的數(shù)值計(jì)算和推進(jìn)機(jī)理研究，從中發(fā)現(xiàn)擺動(dòng)水翼的尾渦系的演變過程與擺動(dòng)水翼所產(chǎn)生的水動(dòng)力脈動(dòng)之間的關(guān)系。
　　 其次，數(shù)值計(jì)算了金槍魚的月牙形尾鰭水動(dòng)力性能，研究了尾鰭擺動(dòng)時(shí)的尾渦結(jié)構(gòu)形式和推進(jìn)機(jī)理，并分析了仿魚尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置的水動(dòng)力性能。文中將尾鰭的運(yùn)動(dòng)處理為在橫移和擺動(dòng)的耦合運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，以某一勻速前進(jìn)。計(jì)算中采用了將計(jì)算域分為流動(dòng)的核心區(qū)域與非核心區(qū)域的網(wǎng)格劃分方法，

3、確定了尾鰭尾流場(chǎng)核心區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)是尾鰭特征弦長(zhǎng)的1/20-1/30；在動(dòng)邊界的處理上運(yùn)用了以“彈簧變形”為主的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，并在并行計(jì)算柔性尾鰭水動(dòng)力性能時(shí)，采取了兩種方法消除分區(qū)造成的表面網(wǎng)格點(diǎn)的錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)。同時(shí)采用基于雷諾時(shí)均納維爾-斯托克斯方程的粘性流求解方法，找到了剛性與柔性尾鰭一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)水動(dòng)力脈動(dòng)與尾渦脫落之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分析了前進(jìn)速度、橫移與擺動(dòng)幅度、頻率以及柔性變形幅度對(duì)推進(jìn)性能的影響，并比較了隨著擺動(dòng)頻率的變化，相同

4、輸入功率系數(shù)下剛性與柔性尾鰭水動(dòng)力性能的不同之處。
　　 最后，以哈爾濱工程大學(xué)的仿生水下航行器“仿生-I”為對(duì)象，以實(shí)驗(yàn)觀測(cè)魚類游動(dòng)特點(diǎn)為參考依據(jù)，建立了仿金槍魚水下航行器的計(jì)算模型。同時(shí)，計(jì)算了仿金槍魚水下航行器勻速直線游動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力性能，比較了擺動(dòng)尾鰭在有軀體影響與無(wú)軀體影響下的輸入、輸出功率系數(shù)和推進(jìn)效率。數(shù)值模擬了魚體表面壓力分布、周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的尾流變化：以及軀干的扭曲與尾鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生的尾渦相互作用對(duì)水動(dòng)力性能的