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微浮筏阵列蒙皮减阻性能实验研究
| 论文题名： | 微浮筏阵列蒙皮减阻性能实验研究 |
| 关键词： | 水下航行器;微浮筏阵列蒙皮;减阻性能;流场稳定性 |
| 摘要： | 海洋生物为了适应海洋中恶劣的生存环境进化出了独特的身体结构，其中海豚的皮肤表现出优秀的减阻性能，可以用做水下航行器减阻领域的研究。本文所研究的微浮筏阵列蒙皮便是一种基于海豚皮肤设计的新型蒙皮结构，为了验证该蒙皮的减阻性能，本文根据转子测阻原理设计了一种带有数据采集系统的小曲率转子实验装置，通过分析转子所受阻力矩研究了蒙皮在不同转速下的减阻效果。 本文主要进行了如下几方面的工作: 首先，对转子实验装置内部流场进行了分析。利用Fluent软件分析了转子和外筒不同半径比对内部流场的影响，分析结果表明当半径比为0.4时，在测试转速范围内流场可以近似看作无限宽广的水池。通过Fluent的VOF模型继续对无扇叶作用下和改良后有扇叶作用下的自由液面进行仿真分析，仿真结果表明扇叶能够抑制外筒壁面处自由液面的上升，保证了实验装置流场状态满足实验要求。 其次，完成了实验台总体设计。确立实验装置的各部分结构并利用Ansys Workbench对其进行静力学分析以及模态分析，仿真结果表明实验装置强度满足要求且在测试转速范围内转子不会发生共振。同时设计了与实验台配套的数据采集系统，通过Labviews制作上位机程序实现了对电机的控制、监视以及转子阻力矩的采集。 然后，制备了微浮筏阵列蒙皮结构。利用Matlab对蒙皮结构作用下的流动稳定性方程进行求解，获得了蒙皮不同结构参数对流场稳定性的影响，为蒙皮实际结构尺寸设计提供理论依据。设计了用于3D打印的模块化结构并根据打印精度对打印参数进行了选择，同时完成了蒙皮各部件的安装流程设计。 最后，对蒙皮的减阻性能进行了测试和分析。利用实验平台测量有蒙皮转子和无蒙皮转子受到的阻力矩，计算蒙皮的减阻率并绘制了减阻率随转速变化的减阻特性曲线。实验结果表明空气中蒙皮在转子转速为100rpm-340rpm时具有减阻效果，平均减阻率为10.66％,而水中蒙皮在转子转速为20rpm-80rpm时具有减阻效果，平均减阻率为3％。构建了转子所受阻力矩随转速变化的参数化模型，结合实验数据总结了适合于本实验的经验公式，为后续实验提供参考。基于流固耦合原理对实验中蒙皮的减阻机理进行补充分析，分析结果表明蒙皮能够吸收转子表面流体的湍动能。 |
| 作者： | 宋永健 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 刘少刚;卢永锦 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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