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基于浸入边界法的仿胸鳍推进机理与性能分析
| 论文题名： | 基于浸入边界法的仿胸鳍推进机理与性能分析 |
| 关键词： | 仿胸鳍推进机理;浸入边界法;水动力性能;尾涡结构;流固耦合 |
| 摘要： | 鱼类等水生动物拥有快速、高效和灵活游动的能力，这正是装备仿鱼鳍推进器的水下机器人所不断追求的目标。目前，拍动翼和尾鳍推进的反卡门涡街尾流已被大量报道，然而胸鳍尾涡结构的关键特征还没有被很好地确立起来。当前胸鳍的数值研究多局限于刚性胸鳍或假定的柔性变形模式，而活体鱼胸鳍的实验研究由于面临鱼的有效控制、实验的可重复性、游动效率定量信息的获取等困难又开展较少。本文提出一种改进的浸入边界法，并结合结构有限元程序构建流固耦合求解系统，研究了仿胸鳍推进的水动力学及流固耦合问题。 针对包含复杂移动边界的鱼类游动流场的求解，提出了一种改进的浸入边界法。在该方法中，一个有效率的、健壮的浸入边界条件重建算法被开发，并且在大步长隐式时间推进和物体做大幅度运动时也完全适用的新的移动边界处理方法被提出，从而实现了在简单的笛卡尔网格上对鱼类游动的高效、精确数值模拟。通过若干标准算例对所提出的改进浸入边界法进行了广泛的验证，包括球体绕流问题、自由流中的振荡圆柱和大拍动幅度的仿生水翼。 对于可看作为胸鳍简化模型的小展弦比拍动翼，采用改进的浸入边界法研究了其具有高度三维特性的尾涡结构，并从涡动力学的角度分析了主要涡结构的形成及其特征。在此基础上，系统地研究了运动参数对拍动翼尾涡结构和水动力性能的影响，并深入探讨水动力性能随参数变化的内在机制。 针对做耦合旋转运动的复杂形状胸鳍，利用基于改进浸入边界法的数值模拟揭示了支配胸鳍推进的关键尾流特征，并详细分析了鳍运动学、涡动力学和力的产生之间的关系。然后通过与拍动翼的广泛比较获得了一个特征化胸鳍与拍动翼水动力性能差异的一般性规律，并解释了这种性能差异背后的机理。接下来开展系统的参数化研究以探讨运动参数对胸鳍尾涡结构、水动力系数和推进效率的影响，最后根据研究结果给出对仿胸鳍推进器设计的建议。 为研究具备高度可变形特性的柔性胸鳍的水动力性能，将结构有限元方法与改进的浸入边界法相结合建立了流固耦合求解系统，并通过与做非定常运动的柔性板的数值模拟以及实验的比较来验证流固耦合方法的精确性和可靠性。然后分析了在运动过程中柔性胸鳍与周围流体相互作用所导致的变形，并讨论了胸鳍利用自身柔性改善推进性能的现象是怎样被结构和运动参数所影响的。最后开展仿生柔性鳍与拍动翼和真实胸鳍的比较研究，揭示了胸鳍相对于拍动翼的优势所在，发现精心设计的柔性仿胸鳍推进器与真实胸鳍在推进性能上是可以相比拟的。 |
| 作者： | 李宁宇 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 苏玉民 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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