基于拍动推进方式的新型水下滑翔机运动特性研究

论文在传统水下滑翔机设计的基础上引入仿生推进的设计理念,希望借助水翼的运动来增加滑翔机的前进速度,从而克服传统水下滑翔机"随波逐流"的缺点。结合浸没边界法采用自编程序,通过求解不可压粘性N-S方程对水下滑翔机仿生推进运动进行了数值模拟研究。分析在不同来流速度下水翼运动参数对滑翔机推进性能的影响,通过自定义的推进效率以及对拍动翼后方涡流场结构的分析确立了最佳运动参数。     

考虑底壁面效应影响的三维扑翼推进特性研究（英文）

本文采用重叠网格技术对考虑底壁面效应影响下的三维拍动翼的推进特性进行了数值模拟研究,计算时选取的特征雷诺数为1.0×104。数值模拟结果表明:底壁面的存在对拍动翼的水动力特性以及周围的流场结构都产生了很大影响;与无界流场相比,当拍动翼运动至底壁面附近时,将会产生明显的推力增大(高斯特哈尔数)现象,并且伴随着升力急剧增大;此外,由于拍动翼与壁面之间的相互作用,拍动翼周围的涡环变成了半月牙形。本文研究成果可为今后仿生扑翼的样机研制提供技术依据和参考。     

考虑底壁面效应影响的三维扑翼推进特性研究

本文采用重叠网格技术对考虑底壁面效应影响下的三维拍动翼的推进特性进行了数值模拟研究,计算时选取的特征雷诺数为1.0×104.数值模拟结果表明:底壁面的存在对拍动翼的水动力特性以及周围的流场结构都产生了很大影响;与无界流场相比,当拍动翼运动至底壁面附近时,将会产生明显的推力增大(高斯特哈尔数)现象,并且伴随着升力急剧增大;此外,由于拍动翼与壁面之间的相互作用,拍动翼周围的涡环变成了半月牙形.本文研究成果可为今后仿生扑翼的样机研制提供技术依据和参考.     

考虑侧壁面效应的拍动翼推进特性数值模拟研究

本文基于重叠网格技术,采用商业软件Fluent对考虑侧壁面效应下的拍动翼推进特性进行了数值模拟研究,系统地分析了不同侧壁面距离下的拍动翼推进特性。结合推力系数及推进效率,分析发现存在最优侧壁面距离。通过对不同侧壁面距离下拍动翼后方的涡流场结构及速度压力分布云图进行分析,从流动机理的角度对数值预报结果进行了解释。     

基于RANS方程的对拍翼推进器推进性能分析

文章基于RANS方程,应用动网格技术,数值计算分析了一种基于地效应原理的对拍翼推进器的推进性能,探讨了来流速度,拍动频率、振幅对推进性能的影响。计算结果表明拍动频率越高、拍动振幅越大则推进器的推力越大,而推进效率则会随来流速度以及拍动振幅的增大而呈现先增大后减小的趋势;同时对比分析了双翼对拍与单翼拍动产生的推力和推进效率;这种推进器构造简单,仅通过简单的相对拍动就可产生垂直于机翼轴向的推力,通过机翼的旋转就可产生任意方向的推力,能够满足水下机器人做六自由度运动的推力需求。     

翼滑艇智能推进系统建模及仿真研究

基于MATLAB平台对翼滑艇可调桨模糊控制的仿真研究,建立了智能推进系统的数学模型及运动仿真模型,编制了仿真软件.在一定初始航速、初始转速、初始螺距及不同环境干扰值的条件下,对翼滑艇智能推进运动进行了系列仿真计算分析,得到的翼滑艇速度控制的稳定时间、超调量及抗干扰能力等参数表明翼滑艇达到较理想的推进运动控制效果.     

波浪滑翔器拍动水翼非稳态下水动力性能计算

波浪滑翔器的水动力性能主要取决于其拍动水翼的设计。在推进效率不变的情况下,采用动网格方法,基于RANS方程与标准的湍流模型,应用ICEM CFD软件和FLUENT软件,分别研究了翼型为NACA0008、NACA0012与NACA0016的拍动水翼的水动力性能,筛选出NACA0012翼型的水动力性能最佳。从工况角度入手,研究了NACA0012翼型拍动水翼的最大转动角度、波浪来流速度、波长及波高对拍动水翼平均推力的影响,定量评估了不同工况下的水动力性能。结果表明:当波浪滑翔器推进效率不变时,在非稳态条件下,翼型为NACA0012的拍动水翼的平均推力较大,水翼的水动力性能较好。     

二维振荡翼型俯仰和升沉耦合运动的水动力性能分析

为了分析二维翼型在非定常状态下俯仰和升沉耦合运动的水动力性能,本文基于RANS方法,运用重叠网格技术,以NACA 0020翼型为研究对象,分析了翼型耦合运动与单一运动的区别以及不同振荡频率对翼型耦合运动时升力、阻力和涡流的影响。结果表明:二维翼型做耦合运动时,振荡频率越小,俯仰运动效应大于升沉运动效应,振荡频率越大,升沉运动效应加强;翼型的振荡频率越大,翼面上涡的分离越迟,翼型发生失速的时间越晚;脱落涡的范围越广,翼型的升力系数和阻力系数越大。     

波浪动力艇模型自航试验及数值仿真

为解决受控主动摆翼驱动装置复杂、机械效率较低的问题,研究依靠升沉运动产生的力矩来驱动俯仰运动的被动摆翼装置,并将其应用于波浪动力艇.在波浪作用下,将被动摆翼安装于艇体底部的一定位置处,产生的推力即可推艇前进.在模型试验中,通过改变波浪周期、波高和控制机构的设置,比较试验艇的自由航行速度.结果表明,试验艇的航速与波高呈正相关关系,且当波长与船长之比约为1.8时推进效果最佳.通过数值仿真,显示两种控制机构配置时的水翼工作过程,并估算在一定波浪参数下波浪动力艇可达到的航速,所估算的航速与试验结果吻合较好.     

地效翼船自控参数的优化研究

介绍了基于地效翼船空间运动方程的自控参数优化方法.首先建立了带有自控参数的地效翼船空间运动方程;再以MATLAB为工作平台,利用其非线性多目标函数fmincon(),建立优化系统的数学模型;最后采用MATLAB/GUIDE编制了自控参数优化程序,对地效翼船自控参数进行了优化计算.结果表明:通过地效翼船自控参数的优化计算,可以达到规定的运动性能指标,不必单纯依靠气动设计来解决地效翼船的运动稳定性和操纵性问题.     

水翼法推进的仿生AUV研制及实验

为丰富水下推进方式,进行了海龟水翼法推进技术仿生及实验研究.基于生物原型运动机理和本构特性分析,研制了仿水翼运动机构、仿蹼翼运动机构和仿生水翼法推进AUV,并进行了仿生AUV水池转首性能测试实验等,验证了运动参数变化对AUV所受纵向力分量和平面转首力矩的影响.实验结果表明,水翼拍旋角速度ω1对于AUV转首速度的影响呈降加速度正比趋势;AUV样机双翼反向差动转首因增加了涡漩阻力,比单肢转首运动的效率提高约60％等,这些为仿生AUV运动控制策略研究提供依据.     

机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究

设计了一种二自由度胸鳍/尾鳍协同推进的仿生机器鳕鱼,其胸鳍推进机构不仅能够单独实现前后拍翼运动、摇翼运动以及两者的复合运动,而且还可与尾鳍实现协同推进,进而分别建立了胸鳍单独推进、胸鳍/尾鳍协同推进时的水动力学模型。数值仿真及实验结果均表明,胸鳍复合运动与尾鳍协同推进时,仿生机器鱼游速最快,可达0.30 m/s,胸鳍摇翼运动推进时游速最低,仅为0.05 m/s,其他推进方式的游速介于二者之间,但均能够实现稳定的游动。与现有结果相比,所设计仿生机器鱼直线游动模态多样,稳定游速可选范围较宽,机动性较好。     

二维地效翼气动力的计算和性能研究

本文基于势流边界元理论（ＢＥＭ）和边界层动量积分关系式数值求解二维地铲翼的气动力,研究了升力正负地效问题及粘性对地效翼升力、俯仰力矩及焦点的影响,并给出了不同地面边界条件的计算结果及相应的粘性修正方法。     

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。     

考虑壁面效应的摆动翼推进特性数值模拟

采用重叠网格技术对考虑壁面效应的摆动翼的推进特性进行数值模拟。系统地分析壁面距离、摆动运动幅值和无量纲频率f*对摆动翼推进特性的影响,并将其与自由流场中的摆动翼推进结果相对比。研究结果表明,摆动翼的推力随着壁面距离的减小呈现出逐渐增大的趋势,且存在最佳壁面距离对应最大推进效率。此外,对不同壁面距离下摆动翼后方的涡流场结构进行分析,从流动机理的角度对数值模拟结果进行解释。     

滑行艇和翼滑艇在正横规则波中的线性横摇仿真研究

建立滑行艇和翼滑艇在正横规则波中的二阶线性横摇运动微分方程,并利用前苏联中央流体动力中心ЦАГИ法得到艇体阻力,利用仿真工具Matlab/Simulink建立滑行艇和翼滑艇的横摇运动、阻力及推进系统的综合仿真模型,仿真计算结果表明建立的横摇运动微分方程较为合理,并验证具有前置V型割划式水翼的翼滑艇其横摇自稳特性要比同等吨位的滑行艇优良许多。     

地效翼船空间运动的数学模型

从地效翼船非线性空间运动方程组出发,借助小扰动线性化理论,并假设初始运动条件为不对称运动(β0≠0,Φ0≠0),使原来的非线性项变成线性项,但仍然包含纵、横向的干扰,这样得到包含纵、横向干扰的线性空间运动方程组.再根据地效翼船的自身特点,给出地效翼船自控系统的控制方程,并对各种干扰(波浪、操纵、其它脉冲干扰输入)信号进行数学描述.最后得到地效翼船的数学模型,可以开展地效翼船的数学仿真研究和地效翼船自控参数的优化研究.     

水下滑翔机水平固定翼设计

水下滑翔机以其低功耗、低成本和低噪声等优势在海洋科研、环境监测、资源探测和军事侦察等领域具有广阔的应用前景,水下滑翔机主要用于海洋环境长时间、大范围的实时监测,因此要求其具有优良的水动力性能。文章利用Javafoil程序总结了水下滑翔机水平固定平板翼升阻比与翼型参数之间的特征关系,并基于该关系在综合考虑升阻比和俯仰力矩两方面因素后确定了水下滑翔机水平固定平板翼的参数。此外为改善水下滑翔机稳定性,分析和设计了柔性机翼,对水下滑翔机水平固定翼的设计具有一定指导和借鉴意义。     

基于CFD的直翼推进器水动力性能研究及参数影响分析

本文在直翼推进器工作原理分析的基础上,以某型直翼推进器的缩比试验模型为研究对象,利用CFD方法进行了建模与仿真,对该型直翼推进器流场特性、敞水性能、桨叶载荷等水动力特性进行了研究,并对不同桨叶结构参数对推进性能的影响进行了比较分析,可为直翼推进器水动力性能预报、桨叶及推进器机构设计与优化提供有效支持.     

展向刚度对拍动式仿生胸鳍水动力性能影响的实验研究

[目的]旨在研究拍动式胸鳍沿翼展方向结构设计刚度对其水动力性能的影响。[方法]提出一种柔性仿生胸鳍的非均匀展向刚度设计方法。通过搭建的胸鳍水动力性能实验平台,测试0.3～1.0 Hz驱动频率下不同展向刚度仿生胸鳍拍动时产生的平均推进力与平均侧向力,并结合高速摄像机采集的胸鳍运动图像序列,分析仿生胸鳍展向变形对其产生推进力的影响。[结果]实验结果表明,在测试的拍动频率范围内,柔性仿生胸鳍产生的平均推进力及平均侧向力均与鳍条的展向刚度大小及分布情况相关。通过优化机器鱼样机（XJmanta）柔性仿生胸鳍的展向刚度可使其最大游动速度提升约45%。[结论]研究成果可用于指导拍动式柔性仿生胸鳍的设计,优化胸鳍输出水动力性能,提升仿生机器鱼本体游动时的机动性。