仿金槍魚擺動尾鰭的水動力性能與推進(jìn)機(jī)理研究.pdf

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

2、流場結(jié)構(gòu)顯示。然后進(jìn)行了二維剛性、柔性擺動水翼水動力性能的數(shù)值計算和推進(jìn)機(jī)理研究，從中發(fā)現(xiàn)擺動水翼的尾渦系的演變過程與擺動水翼所產(chǎn)生的水動力脈動之間的關(guān)系。
　　 其次，數(shù)值計算了金槍魚的月牙形尾鰭水動力性能，研究了尾鰭擺動時的尾渦結(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)實驗裝置的水動力性能。文中將尾鰭的運動處理為在橫移和擺動的耦合運動的同時，以某一勻速前進(jìn)。計算中采用了將計算域分為流動的核心區(qū)域與非核心區(qū)域的網(wǎng)格劃分方法，

3、確定了尾鰭尾流場核心區(qū)域的網(wǎng)格尺寸應(yīng)是尾鰭特征弦長的1/20-1/30；在動邊界的處理上運用了以“彈簧變形”為主的動網(wǎng)格技術(shù)，并在并行計算柔性尾鰭水動力性能時，采取了兩種方法消除分區(qū)造成的表面網(wǎng)格點的錯誤運動。同時采用基于雷諾時均納維爾-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運動周期內(nèi)水動力脈動與尾渦脫落之間的對應(yīng)關(guān)系，分析了前進(jìn)速度、橫移與擺動幅度、頻率以及柔性變形幅度對推進(jìn)性能的影響，并比較了隨著擺動頻率的變化，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”為對象，以實驗觀測魚類游動特點為參考依據(jù)，建立了仿金槍魚水下航行器的計算模型。同時，計算了仿金槍魚水下航行器勻速直線游動時的水動力性能，比較了擺動尾鰭在有軀體影響與無軀體影響下的輸入、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、周圍流場結(jié)構(gòu)和對應(yīng)的尾流變化：以及軀干的扭曲與尾鰭的擺動產(chǎn)生的尾渦相互作用對水動力性能的