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原文传递三维柔性尾鳍/胸鳍的推进性能研究

论文题名：	三维柔性尾鳍/胸鳍的推进性能研究
关键词：	三维柔性尾鳍;三维胸鳍;运动模态;推进性能;水动力性能;数值计算
摘要：	随着社会经济的快速发展，人们对资源的需求不断增加，海洋资源的探测与开发技术正在成为目前的研究热点，其中包括高性能水下探测器的推进技术研究。而鱼类的高效游动机理为研制水下探测器的推进系统具有很好的指导作用。本文以CFD软件为计算工具，在其前处理器GAMBIT中建立数值计算模型，利用求解器FLUENT开展柔性尾鳍胸鳍的水动力性能数值计算。根据资料显示，鱼类的游动模式可分为尾鳍摆动式和胸鳍摆动式两大类，本文先后以尾鳍摆动式和胸鳍摆动式为研究对象，对三维尾鳍和三维胸鳍的非定常流场进行了数值计算，给出了各相应计算工况下的水动力性能和流场结构。本文首先根据快速游动的海洋生物的尾鳍外形的特点，选取新月形尾鳍为计算模型的外形，建立了三维柔性尾鳍的数值计算模型，较为系统地研究了三维柔性尾鳍弦向变形的非定常流场，以及弦向变形系数、幂指数和弦向变形长度对其水动力性能的影响，随后在此基础上，考虑了弦向展向同时变形对水动力性能的影响，研究了弦向展向相位角以及展向变形系数、展向变形长度在相位角为90度和0度时的水动力性能。其次，建立了三维胸鳍的计算模型，在数值计算之前，为了验证本文计算方法的可行性，与日本Hiroyoshi的实验和计算结果进行了对比，得出一致的结论，于是在此基础上，对刚性胸鳍定常状态下小攻角的水动力性能进行计算，对非定常状态下单自由度的前后拍翼运动、摇翼运动和上下拍翼运动以及两自由度的摇翼、上下拍翼耦合运动，上下拍翼、前后拍翼耦合运动的水动力性能进行了计算，同时拓展到对三维柔性胸鳍的摇翼运动情况分别进行了计算，讨论了胸鳍表面的压力分布情况，研究了在不同计算工况下各水动力系数的变化情况。最后，以蓝鳍金枪鱼为原型，建立了鱼体+尾鳍+胸鳍的计算模型，选取一个水平截面，探讨了二维鱼体+尾鳍+胸鳍的非定常流场的数值模拟，以及三维鱼体+尾鳍的水动力数值计算，探讨了由于尾鳍、胸鳍运动而产生的涡流场结构，以及对推进效果的影响。本文的研究表明，对三维尾鳍而言，只有弦向变形柔性模式的选取对推进性能有一定的影响，本文选取的非均匀载荷悬臂梁变形方程效果更佳；在弦向变形的基础上考虑展向变形，计算结果表明，柔性尾鳍的推进性能相比较只有弦向变形时有进一定的提高，并且在弦向展向相位角为90度时获得的推进效果最佳。建立的三维胸鳍运动模态与数值计算模型，为探讨胸鳍在不同姿态下的水动力特性提供了研究基础，胸鳍运动一般分为基于阻力模式的运动和基于升力模式的运动，但在本文中仅以基于阻力模式的胸鳍运动作为研究对象，在以后的研究中，可以开展基于升力模式运动的数值计算，为深入研究胸鳍的运动做准备。同时建立的鱼体＋尾鳍＋胸鳍数值计算模型，给出了尾鳍不同纵摇角情况下的涡量图，可以从中看到比较明显的涡脱落，说明本文计算方法是可行的，能够为水下探测器的水动力设计和运动控制提供设计依据。本文有以下创新点：（1）在弦向变形的基础上，又考虑展向变形对尾鳍水动力性能的影响，得出弦向展向在相位角为90度的情况下，推进效果要好于只有弦向变形时的推进效果；（2）以三维胸鳍为研究对象，讨论了刚性胸鳍单自由度、多自由度的水动力性能，以及柔性胸鳍摇翼运动的水动力性能，为水下探测器的设计提供了参考；（3）对鱼体+尾鳍+胸鳍的数值模型进行了计算，探讨了整体流场的结构特性。
作者：	陈裴
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	王志东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文