胸鳍/尾鳍协同推进的机器海豚动力学建模与仿真

动力学模型是机器海豚研究的一个重点和难点.基于胸鳍/尾鳍协同推进模式,采用"叶片单元法"建立2自由度胸鳍动力学模型,根据伯努利原理和大展弦比机翼平衡理论提出尾鳍动力学模型.通过MATLAB进行数值仿真,获取胸鳍、尾鳍的运动规律和不同模式下的游动速度;进一步分析机器海豚的游动模式和运动参数对直游性能的影响,为机器海豚的设计提供理论依据.该研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理,从而提高机器海豚的游动性能.     

基于仿生的非光滑表面防污减阻技术发展现状分析

基于船舶防污减阻的必要性,从仿生角度出发,介绍了仿生表面防污减阻这种新型环境友好型防污方法。重点分析了鲨鱼、海豚、贝壳和甲鱼壳等仿生原型的表面微结构,探索了这些生物表面微结构的防污减阻机理。基于生物表面微结构的防污减阻效应,阐述了现有的水生生物非光滑表面防污减阻技术,最后对仿生表面防污减阻方法进行了展望。     

仿生水动力学研究进展综述

海洋鱼类经过数百万年的自然进化,获得了非凡的水动力性能,人类迄今为止研发的任何水下航行体尚难以超越。仿生已成为提高水下航行体水动力性能的重要技术途径。本文对仿生水动力学的研究进展进行了梳理,重点评述了仿生水动力学理论研究、仿生推进/操纵和仿生减阻三个方面的国内外研究现状和发展趋势,并对仿生水动力学研究亟需突破的瓶颈问题和技术路线给出了若干建议。     

鱼游推进的水动力学研究综述

自然界中的鱼类游动时有着高速、高效和低噪等优点,人类一直以来试图通过对其游动机理的探索,获得借鉴并为自己所用.近一个世纪以来,在鱼游方面的研究已取得丰硕的成果.特别是近20年来,随着计算流体力学以及流动显示技术的发展,鱼游推进重新成为研究热点.本文首先介绍了鱼类游动的分类,并在此基础之上分别对鱼形体波动、尾鳍拍动以及复杂流场下鱼游推进的相关研究工作进行了介绍和归纳.     

二维波状摆动式鱼类自主航行推进性能研究

利用计算流体动力学软件Fluent对二维波状摆动式鱼类自主航行的水动力特性进行了数值模拟.在给定鱼体波动变形方程的基础上,编制实时计算鱼体不同波动参数下鱼体航行速度的程序模块,建立了波状摆动式鱼类自主航行的数值计算模型.研究了不同运动参数下的水动力性能、流场结构及航行速度,结果表明,随着摆动频率及波长的增加,鱼类能够获得更大的推力及自主航行速度.     

多关节仿鱼运动推进机构的设计与实现

鱼类效率高、机动性强、持久力长的游动方式为人类水中运输设备提供了极佳的设计思路.通过模仿鱼类的运动方式,可设计出新颖的水下运输、作业装备.本文以仿鱼推进机构的设计和实现为目标,根据鱼类游动的特点,对其运动方式进行数字模拟,分析影响其游动性能的关键参数,并建立鱼类游动的数学模型.据此给出了一种多关节仿鱼推进机构的设计方案,完成了辅助这种仿生推进机构设计的仿真软件.借助可视化的鱼类游动及控制的仿真,给出仿鱼推进机构的关键参数,并研制了采用鱼类游动方式运动的仿生机器鱼.     

超空泡武器技术中的几个水动力学问题

综述了超空泡武器技术中的几个水动力学问题的研究进展.主要内容有超空泡武器的组成部分及对各部分的特殊要求;超空泡型态下物体的运动方式及其附加质量;空泡稳定性及其失稳机理;空泡闭合模型;超空泡型态下物体的水动力特性.最后对该领域的研究方向进行了展望.     

机器海豚的运动学及动力学建模和仿真

模拟海豚的背腹式运动机理开发新型的水下航行系统,将是微型智能潜艇发展的一个方向。作为基础性理论研究,本文以海豚背腹式摆动推进方程为基础,应用坐标变换的方法,建立了描述海豚尾鳍俯仰-沉浮运动的数学模型,在此基础上结合茹科夫斯基举力定理建立了机器海豚的动力学模型。运用Matlab软件对这第一个模型进行了仿真研究,分析了运动学参数ψ对海豚推进性能的影响,讨论了这个参数的最佳取值ψ≈90°。此项研究为机器海豚的设计实现提供了理论依据,同时有助于进一步认识和研究海豚的运动机理。     

仿金枪鱼水下机器人摆动-滑行游动数值研究

为探讨摆动-滑行方式的游动机理,本文基于RANS求解器和区域网格整体动态运动技术,建立了仿金枪鱼水下机器人摆动-滑行的自主游动计算模型,数值模拟其从某一速度自由加速到速度值稳定波动状态,分析了游动稳定时速度、水动力、尾涡等的变化特点,并比较了不同滑行时间的影响。计算结果表明:摆动滑行时间相同时,机器人的速度均值比正常游动下降了30%,但波动幅值为后者的3倍;水动力的大幅快速变化导致摆动阶段游动效率下降,但在滑行阶段利用了滑行惯性和尾流区的脱落涡吸收能量。随滑行比增大,游动速度均值下降,但速度功率比却逐渐上升。所计算工况下,滑行比不小于0.6时,摆动-滑行游动比正常游动更节省能量。     

疏水微形貌表面水下减阻研究进展

疏水微形貌表面减阻是一种新型仿生减阻方法,也是国内外减阻研究领域的热点之一。该文在分析天然及人造疏水微形貌表面界面一般特性的基础上,从壁面滑移流动、表面微形貌等角度总结了国内外疏水微形貌表面减阻理论研究的最新成果,然后分类给出了近年来疏水微形貌表面减阻微观及宏观试验的研究进展,最后分析了疏水微形貌表面可能的减阻机理及目前存在的技术问题。     

扰流板对高速巡逻艇回转性能的影响

采用CFD数值模拟的方法,以某20 m级公安巡逻艇为研究对象,对扰流板安装前后该巡逻艇回转运动过程中的流场及水动力特性进行深入研究,分析扰流板对巡逻艇回转性能的影响情况。结果显示,该巡逻艇在安装扰流板后产生了额外的转船力矩和抬升力矩,该水动力特性使得该艇的回转性能得到提升,回转直径减小了11.64%,回转横倾角减小了13.20%。该研究成果为扰流板的推广及使用奠定了技术基础。     

柔性尾鳍仿金枪鱼水下机器人自主游动研究

文章数值模拟了柔性尾鳍的仿金枪鱼水下机器人从静止加速到稳定巡游的自主游动过程,分析了其运动过程中的运动和水动力性能特点及变化,并与刚性尾鳍模型进行了比较.同时详细分析了尾鳍的运动参数如频率,摆动幅度,横移振幅对仿金枪鱼自主游动过程的影响.结果表明,仿金枪鱼在启动加速时效率较低,柔性变形可以较大地提高仿金枪鱼的推进效率;尾鳍的运动参数对自主游动过程有很大的影响:在一定的范围内,增大尾鳍的运动频率、摆动幅度和横移振幅可以提高运动速度、推力和推进效率,但过大的摆幅会降低推进效率.     

扰流板对高速巡逻艇回转性能的影响

采用CFD数值模拟的方法,以某20 m级公安巡逻艇为研究对象,对扰流板安装前后该巡逻艇回转运动过程中的流场及水动力特性进行深入研究,分析扰流板对巡逻艇回转性能的影响情况。结果显示,该巡逻艇在安装扰流板后产生了额外的转船力矩和抬升力矩,该水动力特性使得该艇的回转性能得到提升,回转直径减小了11.64%,回转横倾角减小了13.20%。该研究成果为扰流板的推广及使用奠定了技术基础。     

水下高速航行体超空泡减阻特性数值模拟研究

利用CFD商业软件Fluent6.2对水下高速航行体超空泡流进行了数值模拟研究,计算了带圆盘与圆锥两种头部空化器航行体的阻力特性,详细分析了空化器直径、锥角、航行体长细比对超空泡减阻特性的影响,并计算了高速水下航行体自然超空泡减阻率,结果表明,在超空泡形态下,带圆盘空化器头部的水下高速航行体,更加有利于超空泡的减阻,超空泡减阻率可达95%以上.研究结果为进一步研究水下高速航行体的结构设计和水动力布局提供了理论参考.     

基于动网格模型的两栖车辆数值模拟

采用弹簧近似法和网格局部重构法相结合的非结构动网格技术,利用水动力模型耦合6自由度刚体运动和自由水面进行数值模拟,计算两栖车辆的水动力特性。研究结果表明,动网格模型对求解三维流固耦合问题有效,运用数值方法分析两栖车辆水动力特性、预测航速航姿是有效的两栖车辆水上性能的设计方法。     

平板微气泡减阻预报及影响因素研究

假定气-液两相流均匀混合,且微气泡在水流中存在滑移,运用流体计算软件Fluent中的混合多相流模型对平板微气泡减阻过程进行数值模拟,研究了微气泡流的减阻机理及喷气速度与主流速度之比、微气泡大小、空隙率分布等对水中运动平板减阻效果的影响规律,并指出微气泡减阻率为喷气速度与主流速度之比的非线性对数函数,且存在相对饱和喷气速度,同时建立了一个平板微气泡减阻率大小的预报模型,并从理论上对减阻效果进行了预报。     

基于SMA驱动的水下仿生航行体技术

鱼类游动具有低阻高效、高机动性等特点,对鱼类的仿生学研究将为新型水下航行体的设计研制提供重要借鉴与启迪.本文综述了鱼类游动机理的研究成果,总结了国内外在水下仿生航行体方面的研究进展,分析了SMA材料性质及应用现状,提出了一种基于SMA驱动的仿鲹科鱼类波动推进的水下仿生航行体原理构型方案,可作为下一步详细设计的基础.     

阻流板对规则波中船舶阻力及运动特性影响研究

[目的]旨在分析阻流板对规则波中船舶阻力及运动特性的影响。[方法]以一条半排水型方尾船为研究对象,基于RANS方法并结合重叠网格技术进行阻流板安装前后船舶在规则波中的阻力与运动特性数值仿真,总结船舶阻力、姿态与运动响应随波长与航速的变化规律。[结果]结果表明：阻流板在规则波中的减阻率比静水减阻率大1.03%～2.43%;阻流板对垂荡和纵摇传递函数的影响随着波长的增大而变大,λ=2LPP工况下的垂荡传递函数TF3和纵摇传递函数TF5平均降低了3.5%和1.4%;当船舶出现甲板上浪时,阻流板可使TF3和TF5的降低率分别达到9%和3%。[结论]研究方法与研究成果可为船舶节能装置设计与性能预报提供技术参考。     

沉箱式防波堤动力计算中附加水质量的实验研究

对沉箱式防波堤动力计算中的一个重要动力参数———附加水质量的计算方法进行了模型实验研究,提出了通过动力模型实验确定附加水质量的方法。依据结构动力学理论,由无水情况和各种不同水深情况下沉箱动力特性的实验数据确定沉箱运动时的附加水质量;在对实验结果进行统计分析的基础上,建立了计算附加水质量的经验计算公式。最后通过数值模拟与实验结果的比较,对建立的经验公式进行了检验。     

迎浪规则波中高速滑行艇运动响应数值预报与分析

为准确计算滑行艇在波浪中的水动力性能,基于粘性理论,采用随体网格技术、耦合求解运动方程,完成了滑行艇在迎浪规则波中运动响应的数值预报.对滑行艇运动响应结果采用时域和频域方法分析,给出了入射波的周期与滑行艇固有频率对滑行艇运动响应的影响分析结果,对数值计算值与模型试验值进行比较.结果表明,数值计算方法可以准确且高效预报滑行艇在波浪中高速航行时的运动姿态及水动力特性,为滑行艇设计提供指导和参考依据.