三维柔性尾鳍/胸鳍的推进性能研究

论文摘要

随着深海资源的开发和利用,小型水下潜器的研究已经成为了现在的研究热点。鱼类游动具有高速、高效、高机动性和低噪音等特点,对研制小型水下潜器的推进系统具有很好的指导作用。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,运用CFD软件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。本文首先研究了三维柔性尾鳍弦向变形的非定常流场,研究了弦向变形系数、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,建立三维胸鳍的计算模型,对刚性胸鳍单自由度、两自由度的运动,以及柔性胸鳍的摇翼运动情况分别进行了计算,研究了各计算工况下的水动力系数变化情况。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,探讨了由于尾鳍、胸鳍运动而产生的涡流场结构。本文的研究表明,在考虑了展向变形后,柔性尾鳍的推进性能相比较只有弦向变形时有一定的提高,在弦向展向相位角90度时,能获得最佳的推进效果;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;同时建立的鱼体+尾鳍+胸鳍数值计算模型,能够为小型水下航行器的水动力设计和运动控制提供设计依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 仿生推进模式的研究进展
• 1.2.1 鱼类推进模式的分类
• 1.2.2 BCF 推进方式
• 1.2.3 MPF 推进方式
• 1.3 鱼类推进机理的研究进展
• 1.3.1 仿生推进机理的理论研究
• 1.3.2 仿生推进机理的实验研究
• 1.4 论文的主要研究内容
• 第二章 计算流体动力学的基本理论和数值计算方法
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 湍流模型
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 数值离散方法
• 2.2.2 数值离散算法
• 2.3 动网格技术
• 2.3.1 动网格守恒方程
• 2.3.2 网格更新算法
• 2.3.3 网格交界面的处理
• 2.4 FLUENT 软件简介
• 2.5 本章小结
• 第三章 三维柔性尾鳍非定常流场数值计算
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 新月形尾鳍尺寸的确定
• 3.1.2 计算区域的确定与网格划分
• 3.1.3 边界条件的确定
• 3.2 三维柔性摆动尾鳍的运动模型
• 3.2.1 运动方程
• 3.2.2 弦向变形方程
• 3.2.3 展向变形方程
• 3.2.4 力系数和推进效率的定义
• 3.3 数值计算及结果分析
• 3.3.1 弦向变形对水动力性能的影响
• 3.3.2 展向变形的验证计算
• 3.3.3 三维尾鳍弦向展向变形的水动力性能计算
• 3.3.4 尾迹涡系流场结构特点的分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 三维仿生胸鳍非定常流场数值计算
• 4.1 计算模型
• 4.1.1 三维仿生胸鳍尺寸的确定
• 4.1.2 计算区域的确定与网格划分
• 4.1.3 边界条件的设定
• 4.2 数值计算及结果分析
• 4.2.1 验证计算
• 4.2.2 刚性胸鳍的水动力性能计算
• 4.2.3 柔性胸鳍的水动力性能计算
• 4.2.4 胸鳍表面压力分布分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 鱼体+尾鳍+胸鳍非定常流场数值计算
• 5.1 计算模型
• 5.1.1 三维鱼体整体模型尺寸的确定
• 5.1.2 三维鱼体整体模型的建立
• 5.1.3 网格的划分
• 5.1.4 二维模型的建立
• 5.1.5 边界条件的确定
• 5.2 数值计算及结果分析
• 5.2.1 三维鱼体+尾鳍的水动力计算
• 5.2.2 二维鱼体+尾鳍+胸鳍的水动力计算
• 5.3 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及获奖
• 详细摘要