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原文传递摆动水翼推进的水动力性能影响分析

论文题名：	摆动水翼推进的水动力性能影响分析
关键词：	仿生推进;摆动水翼;推进性能;压力分布
摘要：	随着传统推进方式逐渐展现出的不足与问题，通过观察鱼类游动的特点，仿生推进作为新兴推进方式逐渐兴起，目前国内外众多研究者对此展开相关研究。通过提取水下生物推进装置的几何特征和运动特征，为水下推进装置的研究提供思路以达到提高推进性能减少能源消耗的目的。因此，对摆动水翼在不同工况、不同参数下的推进性能进行研究和分析具有重要的参考意义。　　在目前的水下推进方式研究中，众多研究者主要研究的是鱼类推进抽象出的水翼推进方式，该种推进方式因为其结构简单，能够方便的在工程实践中进行运用，目前的研究中水翼推进方式以单自由度、两自由度以及多自由度运动方式为主，从效率及实施的方便性角度综合考虑以两自由度耦合运动推进方式为最佳方案。　　本文采用刚性水翼的两自由度运动形式考察其推进性能，为了达到其最优的推进性能，需要对两自由度摆动水翼的工作特性及流场特征进行研究分析，从而为水翼推进的实用化设计提供理论参考。　　本文首先对摆动水翼的受力原理进行分析，建立动力学模型和运动学模型，参照鱼类游动特点设定其运动方式为升沉平移运动叠加旋转运动两自由度耦合，给出衡量摆动水翼推进性能参数的定义，借助STARCCM+流体力学软件的重叠网格技术，针对平板摆动水翼的翼型在特定工况下对推进性能的影响进行数值模拟计算，计算升沉运动和旋转运动方程中的最大摆动幅度、最大摆动角度、运动频率下摆动水翼的推进性能，在特定工况下对NACA0012型平板水翼分析来流速度对其推进性能的影响。并以1/4周期为单位研究摆动水翼在流场中的压力分布规律。研究结果表明：翼型相对厚度的增加对其推进性能起到了推进的作用；考察摆幅与频率影响发现最大摆幅为0.4m，运动频率为3Hz时水翼的平均推力、平均推力系数以及推进效率均取得最大值；考察摆角对推进性能影响发现最大平均推力及最大平均推力系数出现在摆角为35°，最大推进效率出现在摆角为15°；考察水流速度对推进性能影响发现最大平均推力及最大平均推力系数出现在来流速度为3m/s，最大推进效率出现在来流速度为5m/s。　　其次，通过观察相关鱼类的摆动尾翼，对平板摆动水翼进行展向方向上的改变建立叉型摆动水翼几何模型，分析后掠角、摆动幅度、旋转角度、运动频率、来流速度对水翼推进性能的影响分析。考察后掠角对推进性能影响发现后掠角从50°增加到60°时，产生的推力逐渐增大，后掠角从60°变化到65°水翼产生的推力减小，当后掠角从65°增加到70°后，推力又开始增大，推进效率随着后掠角的增大一直减小；考察摆幅和频率对推进性能影响发现其推进性能曲线呈现出于平板水翼近似的规律；考察摆角对推进性能影响发现其推力大小与效率均下降；考察流速对推进性能影响发现推力变化很小，其推进效率增长了近两倍。
作者：	陈福根
专业：	船舶与海洋工程
导师：	王大政
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020