近自由面三維振動翼水動力研究.pdf

1、振動翼機(jī)構(gòu)的研發(fā)靈感來自人類對魚的尾鰭和鳥的翅膀的長期觀察，振動翼的推進(jìn)效率高，能提供很大的瞬時升力，在推進(jìn)、低速操縱以及航態(tài)穩(wěn)定控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用振動翼裝置能推進(jìn)、控制和穩(wěn)定作用的基本原理可對船舶在波浪中的運(yùn)動進(jìn)行控制，提高船舶耐波性，改善船舶的穩(wěn)定性、快速性等航行性能。振動翼裝置的開發(fā)在現(xiàn)行的船舶和新型高性能船的研發(fā)上均有很廣泛的應(yīng)用前景。本文研究的三維振動翼是指船用機(jī)翼在水中以不變的航速前進(jìn)同時也進(jìn)行純升沉運(yùn)動、純縱搖

2、運(yùn)動或升沉-縱搖耦合運(yùn)動的機(jī)翼。本文研究的三維振動翼的水動力性能是研究三維水翼在作大幅度運(yùn)動時的非定常流體動力性能。本文提供了分析三維水翼的水動力性能的理論基礎(chǔ)、數(shù)值方法和算例，系統(tǒng)地進(jìn)行了研究。
　　 本文首先介紹了定常邊界元法的基本原理及求解步驟，針對數(shù)值求解過程中存在的積分奇異問題，詳細(xì)推導(dǎo)了一種精確求解邊界元法中影響系數(shù)積分的公式。在此基礎(chǔ)上，將定常邊界元法應(yīng)用于圓球繞流的計算，隨后對無限域中三維水翼的水動力性能進(jìn)行了計

3、算與分析。當(dāng)水翼靠近自由面航行時，自由面對水翼性能的影響是不可忽視的。為此，本文發(fā)展了一種非定常時域算法，計算了近自由面航行的三維水翼的勢流場。該方法基于格林定理，將Rankine源和偶極子置于邊界面上，其中在自由面采用線性自由面邊界條件，在尾渦面上采用偶極子布置以滿足Kutta條件。文中對不同航速、展長及浸深下的水翼水動力性能進(jìn)行了計算，分析其所引起的自由面效應(yīng)的強(qiáng)弱。為研究三維水翼在近自由面運(yùn)動時的水動力特性，采用組合翼模型進(jìn)行了試

4、驗研究。對試驗所采用的組合翼模型的水動力性能進(jìn)行了數(shù)值計算，考慮了組合翼間的相互影響問題，其中在自由面采用非線性自由面邊界條件。將數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。
　　 本文采用非定常邊界元法基于格林定理構(gòu)建了振動翼計算模型，采用時間步進(jìn)法在時域中進(jìn)行計算，在尾渦面上應(yīng)用等壓Kutta條件并通過Newton-Raphson法進(jìn)行迭代求解，對無限域振動翼的水動力特性進(jìn)行了計算和研究。分別對做純升沉、純縱搖和升沉縱搖耦合運(yùn)動的振動

5、翼的水動力性能進(jìn)行計算，分析了振動翼各個參數(shù)對其推進(jìn)性能的影響。由于在工程應(yīng)用中存在振動翼近自由面運(yùn)動的情況，因此在計算模型中考慮自由面的影響是項具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。采用非定常邊界元法對近自由面振動翼的水動力特性進(jìn)行了計算和研究，基于格林定理構(gòu)建了近自由面運(yùn)動的振動翼計算模型。該模型是在運(yùn)動的振動翼表面以及自由面上同時布置Rankine源與偶極子，用時間步進(jìn)法模擬水翼的勢流場和自由表面波形。在自由面采用線性自由面邊界條件，在尾渦面上布置