三維拍動(dòng)板推進(jìn)特性的數(shù)值研究及理論分析.pdf

1、三維拍動(dòng)推進(jìn)問題的研究對(duì)認(rèn)識(shí)生物飛行和游動(dòng)以及優(yōu)化工程設(shè)計(jì)有著重要意義。本文采用數(shù)值模擬和理論分析的方法對(duì)這一問題進(jìn)行了研究，探討了生物運(yùn)動(dòng)中環(huán)狀渦結(jié)構(gòu)的基本物理機(jī)理，主要工作和研究成果如下：
　　 (1)用內(nèi)置邊界-格子波爾茲曼方法數(shù)值模擬了不同形狀的三維拍動(dòng)平板的推進(jìn)問題，并特別關(guān)注了魚類分叉尾鰭形狀的影響。研究表明，平板形狀顯著地影響拍動(dòng)推進(jìn)的動(dòng)力學(xué)特征和尾跡渦結(jié)構(gòu)，而分叉構(gòu)型有利于提高生物的推進(jìn)性能。本文中所預(yù)測(cè)的結(jié)果與

2、生物飛行和游動(dòng)時(shí)觀測(cè)到的一些現(xiàn)象和規(guī)律相符合，有助于更好地理解生物運(yùn)動(dòng)的基本機(jī)理。
　　 (2)通過導(dǎo)數(shù)矩理論分析了尾跡渦結(jié)構(gòu)與平板動(dòng)力學(xué)特征之間的關(guān)聯(lián)。研究表明，物體所受到的力及力矩直接與流場(chǎng)中渦結(jié)構(gòu)的沖量及沖量矩的時(shí)間變化率相關(guān)，消耗的功率由流場(chǎng)中動(dòng)能變化及能量的耗散所決定。平板受力及功耗主要源于平板邊界層以及與邊界層相連的渦結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)。當(dāng)渦結(jié)構(gòu)從平板上脫落之后，其沖量變化很小，動(dòng)能的降低則幾乎完全由自身的粘性耗散引起，因此

3、對(duì)平板受力和功耗的直接貢獻(xiàn)較小。尾跡中的渦結(jié)構(gòu)會(huì)影響平板邊界層的穩(wěn)定性及渦脫瀉過程，從而間接地影響平板的動(dòng)力學(xué)特征。
　　 (3)對(duì)尾跡渦結(jié)構(gòu)的形成及演化提出了粘性渦環(huán)模型，并利用該模型對(duì)數(shù)值模擬得到的流場(chǎng)結(jié)果進(jìn)行了分析。研究表明，理想粘性渦環(huán)理論可以合理地描述拍動(dòng)平板形成的尾跡渦結(jié)構(gòu)的演化，而平板運(yùn)動(dòng)過程中傳遞給流場(chǎng)的能量滿足特定的關(guān)系，并且與理論預(yù)測(cè)相符很好。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)深刻認(rèn)識(shí)生物的飛行和游動(dòng)有著重要意義，進(jìn)而還可以給出生物