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基于流固耦合分析的柔性翼推进性能研究
| 论文题名： | 基于流固耦合分析的柔性翼推进性能研究 |
| 关键词： | 水下航行器;柔性翼;计算流体力学;流固耦合;非正弦运动;推进性能 |
| 摘要： | 随着陆地资源的日渐枯竭，人类将目光转向蕴含丰富矿产、石油等人类社会发展不可缺少的稀有资源的海洋，对于高性能水下航行器的研究开发日益迫切，而传统水下航行器采用的螺旋桨等推进方式往往有着推进效率低、环境噪音大、可靠性不足等诸多问题。因此，通过对鸟类、鱼类等生物的观察，人们总结简化出拍动推进方式，这种推进方式效率高、噪音小，可以有效的替代传统推进方式。为设计出合理、高效的拍动推进装置，考虑拍动过程中存在的复杂的大尺度被动变形，本文主要开展了如下研究工作： （1）通过对近些年来仿生扑翼推进问题的综述，归纳总结出拍动方式产生推力的原理是由于尾流中的反卡门涡街，反卡门涡街的强度直接影响产生推力的大小，拍动的频率、幅值、自由流速度以及扑翼的几何构型等会直接影响反卡门涡街强度，指出扑翼的柔性及拍动过程中的变形对扑翼推进性能同样有着十分显著的影响，总结本文的创新点。 （2）介绍计算流体力学理论中的基本原理，包括流体域及固体域控制方程、耦合边界条件及湍流数值模拟方法等，建立本文所使用的模拟仿生拍动翼运动的数值模型，并开展数值验证工作。 （3）对柔性单翼的推进特性和尾流中的涡结构进行数值模拟。参考公开发表文献中的研究，推导单翼前缘运动控制方程，建立柔性单翼推进性能分析的数值模型，分析网格和时间步收敛性。在此基础上，从单位时间内的平均推力及效率，尾流场中速度矢量，尾流场涡结构分布等方面分析了柔性单翼的推进性能，重点分析无量纲参数St、λ*、S等扑翼运动和几何参数对柔性单翼推进特性的影响。 （4）对柔性串列翼的推进特性和尾流中涡结构之间相互作用进行数值模拟。参考单翼的非正弦运动方程，推导下游翼前缘在不同运动相位差下的运动控制方程，建立串列翼的数值分析模型。分析不同间距及相位差对上游翼和下游翼的推进性能的影响及上游翼尾流涡与下游翼前缘的相互作用。最后对柔性串列翼的大尺度变形进数值模拟，重点分析St、λ*、S等无量纲参数对下游翼推进性能的影响。 |
| 作者： | 李凤坤 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 于鹏垚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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