仿生水翼推進(jìn)的數(shù)值模擬和實驗研究.pdf

1、海洋空間蘊(yùn)含的豐富資源使人們對海洋的開發(fā)不斷加大技術(shù)投入，各種復(fù)雜的工程應(yīng)用和水下環(huán)境對水下航器的推進(jìn)性能要求越來越高。傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)存在著效率低，機(jī)動性能差，效率低和噪聲大等缺點，極大地限制了其在狹窄、復(fù)雜和動態(tài)環(huán)境中的應(yīng)用。為了克服上述缺陷，適應(yīng)未來海洋開發(fā)與探索的需求，有必要尋找更加優(yōu)良的新型水下推進(jìn)方式。海洋生物經(jīng)過億萬年進(jìn)化，獲得了非凡的水下運(yùn)動性能，因此仿生推進(jìn)成為水下推進(jìn)技術(shù)的研究熱點。游動生物鰭或翼的拍動形式有對稱和非

2、對稱兩種，其中對稱拍動的推進(jìn)效率相對非對稱拍動較高，非對稱拍動在一定條件下可能獲得較大的推力或者升力。大多數(shù)工程研究里面，拍動水翼只有橫向運(yùn)動是自由的，這樣，運(yùn)動自由度減少，工程實現(xiàn)比較容易，然而，這種約束使得仿生樣機(jī)不能準(zhǔn)確反映觀測對象的運(yùn)動。
　　本文針對仿生水翼的拍動問題，采取流體計算仿真和實驗測量相結(jié)合的方法，首先進(jìn)行運(yùn)動學(xué)建模，在原有兩自由度的基礎(chǔ)上研究三自由度的非對稱拍動。基于三維非定常，不可壓縮流體控制方程，用商業(yè)軟

3、件 Fluent對仿生水翼在流場中的拍動問題進(jìn)行數(shù)值計算，得到水翼拍動過程中產(chǎn)生的推力、升力和轉(zhuǎn)矩，并分析水翼拍動過程的流場，解釋仿生水翼推進(jìn)機(jī)理，證明了不同拍動形式在獲取大的推進(jìn)力和高的推進(jìn)效率之間存在平衡而又矛盾的關(guān)系。然后分析了水翼運(yùn)動參數(shù)對水翼拍動的影響規(guī)律，采用曲面響應(yīng)法（Response SurfaceMethodology, RSM），研究多個參數(shù)對推進(jìn)效率的綜合影響，并得到一個多項式預(yù)測模型，為將來設(shè)計仿生推進(jìn)器的研究提