近自由面三维振动翼水动力研究

论文摘要

振动翼机构的研发灵感来自人类对鱼的尾鳍和鸟的翅膀的长期观察,振动翼的推进效率高,能提供很大的瞬时升力,在推进、低速操纵以及航态稳定控制等领域得到了广泛应用。利用振动翼装置能推进、控制和稳定作用的基本原理可对船舶在波浪中的运动进行控制,提高船舶耐波性,改善船舶的稳定性、快速性等航行性能。振动翼装置的开发在现行的船舶和新型高性能船的研发上均有很广泛的应用前景。本文研究的三维振动翼是指船用机翼在水中以不变的航速前进同时也进行纯升沉运动、纯纵摇运动或升沉-纵摇耦合运动的机翼。本文研究的三维振动翼的水动力性能是研究三维水翼在作大幅度运动时的非定常流体动力性能。本文提供了分析三维水翼的水动力性能的理论基础、数值方法和算例,系统地进行了研究。首先,本文介绍了定常边界元法的基本原理及求解步骤,针对数值求解过程中存在的积分奇异问题,详细推导了一种精确求解边界元法中影响系数积分的公式。在此基础上,将定常边界元法应用于圆球绕流的计算,随后对无限域中三维水翼的水动力性能进行了计算与分析。当水翼靠近自由面航行时,自由面对水翼性能的影响是不可忽视的。为此,本文发展了一种非定常时域算法,计算了近自由面航行的三维水翼的势流场。该方法基于格林定理,将Rankine源和偶极子置于边界面上,其中在自由面采用线性自由面边界条件,在尾涡面上采用偶极子布置以满足Kutta条件。文中对不同航速、展长及浸深下的水翼水动力性能进行了计算,分析其所引起的自由面效应的强弱。为研究三维水翼在近自由面运动时的水动力特性,采用组合翼模型进行了试验研究。对试验所采用的组合翼模型的水动力性能进行了数值计算,考虑了组合翼间的相互影响问题,其中在自由面采用非线性自由面边界条件。将数值计算结果与试验结果进行了对比。振动翼在航行过程中处于非定常运动状态,其水动力性能受到时变尾涡面及尾涡存储效应的影响。本文采用非定常边界元法基于格林定理构建了振动翼计算模型,采用时间步进法在时域中进行计算,在尾涡面上应用等压Kutta条件并通过Newton-Raphson法进行迭代求解,对无限域振动翼的水动力特性进行了计算和研究。分别对做纯升沉、纯纵摇和升沉纵摇耦合运动的振动翼的水动力性能进行计算,分析了振动翼各个参数对其推进性能的影响。由于在工程应用中存在振动翼近自由面运动的情况,因此在计算模型中考虑自由面的影响是项具有现实意义的工作。采用非正常边界元法对近自由面振动翼的水动力特性进行了计算和研究,基于格林定理构建（?）近自由面运动的振动翼计算模型。该模型是在运动的振动翼表面以及自由面上同时布置Rankine源与偶极子,用时间步进法模拟水翼的势流场和自由表面波形。在自由面采用线性自由面边界条件,在尾涡面上布置偶极子及采用尾涡存储效应以满足Kutta条件。文中分别对近自由面做纯升沉、纯纵摇和升沉纵摇耦合运动的振动翼的水动力性能进行计算,分析了自由面存在对其推进性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 理论研究综述
• 1.3 本文主要内容
• 1.4 本研究的关键技术
• 2 边界元法在三维翼水动力计算中的应用
• 2.1 边界元基本原理
• 2.2 无升力三维物体定常绕流计算
• 2.3 无限水域中三维水翼的水动力性能计算
• 2.4 本章小结
• 3 近自由面三维水翼的水动力时域分析
• 3.1 理论基础及计算步骤
• 3.2 近自由面水翼的水动力分析
• 3.3 三维组合翼的试验研究
• 3.4 近自由三维组合翼的水动力分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于非定常边界元法的振动翼水动力性能计算
• 4.1 理论基础
• 4.2 振动翼纯升沉运动
• 4.3 振动翼纯纵摇运动
• 4.4 振动翼升沉纵摇耦合运动
• 4.5 本章小结
• 5 近自由面三维振动翼的水动力分析
• 5.1 理论基础
• 5.2 振动翼近自由面纯升沉运动
• 5.3 振动翼近自由面纯纵摇运动
• 5.4 振动翼近自由面升沉纵摇耦合运动
• 5.5 本章小结
• 6 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表论文目录