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水下仿生航行器自主游动的三维数值研究
| 论文题名： | 水下仿生航行器自主游动的三维数值研究 |
| 关键词： | 仿生航行器;三维数值模拟;推进性能;浸没边界法 |
| 摘要： | 无人水下航行器(Unmanned Underwater Vehicle，UUV)近年来已经成为世界各国研究和应用的焦点，为了克服UUV传统推进方式效率低、机动性能不佳等缺点，借鉴鱼类、昆虫等生物自推进方法的优势，设计适用于UUV的新型仿生推进系统，是UUV研制的一个重要方向。本文以课题组内研制的仿生航行器为原型，采用数值方法研究推进器构型及运动对推进性能的影响，为UUV的进一步优化设计提供指导。 本文采用浸没边界法(Immersed Boundary Method，IBM)处理航行器与流体的相互作用，采用格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method，LBM)计算流体流动，采用四元数法计算航行器的游动，首先基于CPU计算平台运用Fortran语言编写计算程序，通过计算三维PoiseuiUe流及圆球绕流对程序的正确性进行验证。鉴于三维计算耗时长及LBM的良好并行性能，接着利用PGI Fortran12.10对CUDA平台的支持，运用CUDA Fortran初步实现了计算程序的GPU化，结果表明使用GPU计算能明显的降低计算时间。 在此基础上，研究了不同参数对双尾鳍仿生航行器推进性能的影响。结果表明，Re数在一定范围内对于尾鳍推进机理没有本质影响;增大摆动摆幅、频率均能提高推进速度，但同时也需要消耗更多能量，高频率摆动对游动速度的提高影响有限，存在最佳频率范围;Re数不太高时，具有波动性质的柔性摆动全面优于刚性尾鳍;在纯摆动运动下，丰满尾鳍的推进能力要显著强于后部有缺口的叉形尾鳍。 初步讨论了四拍翼仿生航行器的推进性能，结果表明翼面的快速旋转将产生较大的推力峰值，相邻翼面远离时将产生阻力，相互靠近时将产生推力;游动速度与翼面挥拍速度成线性关系，而消耗功率与挥拍速度成二次关系。 |
| 作者： | 张智伟 |
| 专业： | 流体力学 |
| 导师： | 秦丰华;杨基明 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 中国科学技术大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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