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原文传递仿生柔性摆动尾鳍的性能研究

论文题名：	仿生柔性摆动尾鳍的性能研究
关键词：	面元法;刚性水翼;柔性水翼;流固耦合;水动力性能;柔性摆动尾鳍
摘要：	鱼类在水下游动时，除了主动发生变形外，还会因为受到外力而导致一定程度的被动变形，这种变形能明显地影响水动力性能，推力和效率变化尤为显著。所以柔性尾鳍的研究应得到足够的重视，有必要进行深入地研究。本文研究的是尾鳍在来流中摆动所产生的变形，考虑流体压力和结构变形耦合作用是研究柔性尾鳍变形的重点。　　本文首先通过面元法来研究刚性尾鳍的定常水动力性能，根据无界流中水翼绕流条件建立积分方程，应用 Newton-Raphson迭代整个过程以满足压力库塔条件，同时将泰勒展开边界元法用于计算该水翼的表面速度，结果与柳泽插值法进行对比。两种方法计算得到的速度分布在水翼中部相似，而在水翼的前缘和尾缘处略有差异。　　其次，研究摆动尾鳍的水动力特性，针对二维水翼，讨论了运动参数对性能的影响，并与实验值进行了对比，吻合较好；对三维摆动水翼绕流特性做了定性分析，讨论了其弦向和展向的水动力特性；将水翼提升到尾鳍，针对不同尾鳍形状分析水动力特性。可知，月牙形摆动尾鳍的推进效果较好。　　再次，基于刚性尾鳍，赋予尾鳍特定形式的弦向变形，深入探讨了柔性摆动尾鳍的水动力性能。在各变形模式中，悬臂梁非均匀载荷变形时较为符合实际鱼尾摆动情况。在该变形模式下，变形控制参数δ=0.05、φ=90°以及在距后缘1/4弦长处发生变形时性能较好。柔性尾鳍显示出了一定的优越性。　　最后，考虑流体和结构的相互作用，对柔性摆动尾鳍进行流固耦合分析。在面元法的基础上给出了一种流固耦合计算方法，分析了来流中摆动尾鳍的稳定性和诱导变形，变形主要受流体动压力控制。然后主要讨论了柔性尾鳍抗弯刚度和密度如何影响其推进性能。分析可知，刚性越强，推进效果并不是越好，合适的抗弯刚度才能带来最佳的推进效率，一定程度的柔性能有效改进推进性能；柔性尾鳍摆动过程中要产生向前的推进效果，频率比f需小于1，一般材质的情况下，尾鳍的密度越大，相对的推进效果越好，效率越高。
作者：	杨意均
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	常欣
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文