三維柔性尾鰭-胸鰭的推進性能研究.pdf

1、隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對資源的需求不斷增加，海洋資源的探測與開發(fā)技術(shù)正在成為目前的研究熱點，其中包括高性能水下探測器的推進技術(shù)研究。而魚類的高效游動機理為研制水下探測器的推進系統(tǒng)具有很好的指導(dǎo)作用。 本文以CFD軟件為計算工具，在其前處理器GAMBIT中建立數(shù)值計算模型，利用求解器FLUENT開展柔性尾鰭胸鰭的水動力性能數(shù)值計算。 根據(jù)資料顯示，魚類的游動模式可分為尾鰭擺動式和胸鰭擺動式兩大類，本文先后以尾鰭擺動式

2、和胸鰭擺動式為研究對象，對三維尾鰭和三維胸鰭的非定常流場進行了數(shù)值計算，給出了各相應(yīng)計算工況下的水動力性能和流場結(jié)構(gòu)。本文首先根據(jù)快速游動的海洋生物的尾鰭外形的特點，選取新月形尾鰭為計算模型的外形，建立了三維柔性尾鰭的數(shù)值計算模型，較為系統(tǒng)地研究了三維柔性尾鰭弦向變形的非定常流場，以及弦向變形系數(shù)、冪指數(shù)和弦向變形長度對其水動力性能的影響，隨后在此基礎(chǔ)上，考慮了弦向展向同時變形對水動力性能的影響，研究了弦向展向相位角以及展向變形系數(shù)、展

3、向變形長度在相位角為90度和0度時的水動力性能。其次，建立了三維胸鰭的計算模型，在數(shù)值計算之前，為了驗證本文計算方法的可行性，與日本Hiroyoshi的實驗和計算結(jié)果進行了對比，得出一致的結(jié)論，于是在此基礎(chǔ)上，對剛性胸鰭定常狀態(tài)下小攻角的水動力性能進行計算，對非定常狀態(tài)下單自由度的前后拍翼運動、搖翼運動和上下拍翼運動以及兩自由度的搖翼、上下拍翼耦合運動，上下拍翼、前后拍翼耦合運動的水動力性能進行了計算，同時拓展到對三維柔性胸鰭的搖翼運動

4、情況分別進行了計算，討論了胸鰭表面的壓力分布情況，研究了在不同計算工況下各水動力系數(shù)的變化情況。最后，以藍鰭金槍魚為原型，建立了魚體+尾鰭+胸鰭的計算模型，選取一個水平截面，探討了二維魚體+尾鰭+胸鰭的非定常流場的數(shù)值模擬，以及三維魚體+尾鰭的水動力數(shù)值計算，探討了由于尾鰭、胸鰭運動而產(chǎn)生的渦流場結(jié)構(gòu)，以及對推進效果的影響。 本文的研究表明，對三維尾鰭而言，只有弦向變形柔性模式的選取對推進性能有一定的影響，本文選取的非均勻載荷懸

5、臂梁變形方程效果更佳；在弦向變形的基礎(chǔ)上考慮展向變形，計算結(jié)果表明，柔性尾鰭的推進性能相比較只有弦向變形時有進一定的提高，并且在弦向展向相位角為90度時獲得的推進效果最佳。建立的三維胸鰭運動模態(tài)與數(shù)值計算模型，為探討胸鰭在不同姿態(tài)下的水動力特性提供了研究基礎(chǔ)，胸鰭運動一般分為基于阻力模式的運動和基于升力模式的運動，但在本文中僅以基于阻力模式的胸鰭運動作為研究對象，在以后的研究中，可以開展基于升力模式運動的數(shù)值計算，為深入研究胸鰭的運動做

6、準備。同時建立的魚體＋尾鰭＋胸鰭數(shù)值計算模型，給出了尾鰭不同縱搖角情況下的渦量圖，可以從中看到比較明顯的渦脫落，說明本文計算方法是可行的，能夠為水下探測器的水動力設(shè)計和運動控制提供設(shè)計依據(jù)。 本文有以下創(chuàng)新點：（1）在弦向變形的基礎(chǔ)上，又考慮展向變形對尾鰭水動力性能的影響，得出弦向展向在相位角為90度的情況下，推進效果要好于只有弦向變形時的推進效果；（2）以三維胸鰭為研究對象，討論了剛性胸鰭單自由度、多自由度的水動力性能，以及柔