振动翼能量采集与推进性能研究

摘要

振动翼装置源于仿生，其运行轨迹为垂荡与转动结合的二自由度运动。依据机翼与来流的相对速度及形成的攻角关系，振动翼能从来流中采集能量，即能量采集模式;振动翼也可以像鸟翼或者鱼尾一般产生推力，即推进模式。振动翼在风能、潮流能利用与水下航行器推进领域具有很好的应用前景。结合当前的研究进展，本论文针对单个翼的能量采集、串列翼的能量采集与串列翼的推进性能及涡干扰机理进行研究。
　　首先建立了分析机翼非定常水动力的边界元法(BEM)与粘性CFD模型，并验证了它们的有效性。对比已有的几种振动翼样机设计的优缺点，提出了一种合理的全被动式振动翼发电装置。试制原理样机并在循环水槽进行实验。实验样机机械损耗较低，实现了较高的能量捕获效率。同时进行的CFD数值模拟分析了振动翼能量采集过程中的流场，数值结果与实验数据吻合良好。通过数值模拟进一步分析了不同转角幅值与斯特罗哈数等参数对单个翼装置的能量采集性能影响，分析了机翼振荡运动涡流场变化及对应的机翼瞬时受力特性，研究单翼能量采集效率的力学机理，发现提出的振动翼装置在转角幅值700时能量采集效率可达32％。对比分析CFD与BEM模型计算结果的差异，发现差异的主要原因在高St时是流体的粘性作用，在低St时在于首缘涡分离。
　　串列双翼的能量采集与推进性能主要考虑上游翼泻出涡与后方翼的涡干扰研究。论文引入全局相位参数ψ来系统描述串列机翼的相对位置关系。对于给定的运动频率与幅值，全局相位参数ψ取决于垂荡运动相位差与水平间距。论文基于数值模拟分析了串列双翼的能量采集与推进性能随着全局相位ψ的变化规律。对于串列翼能量采集模式，发现下游翼存在低效率、中效率、高效率三种涡干扰模式;对于串列翼推进，发现下游翼存在效率与推力最低、推力最大、效率最高三种涡干扰模式。通过流场与瞬时受力的分析发现上游泻出涡会改变下游翼局部流速及攻角，进而影响下游机翼水动力性能。CFD与BEM模型均能够较好的分析上游泻出涡对下游翼瞬时受力的影响，得到相似的涡干扰规律。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的研究意义

1．2 机翼非定常受力的数值方法

1．2．1 理想流体力学方法

1．2．2 粘性流体力学方法

1．3 振动翼应用研究进展

1．3．1 能量采集的相关研究

1．3．2 推进的相关研究

1．4 本文的主要研究内容

第2章 振动翼的数值计算模型

2．1 振动翼的参数定义与工作原理

2．1．1 本文用到参数的定义

2．1．2 振动翼的运动方程

2．1．3 能量采集与推进模式

2．2 计算水翼绕流的边界元方法

2．2．1 单翼模型的边界积分方程

2．2．2 模型有效性验证

2．2．3 串列翼模型的边界积分方程

2．2．4 模型有效性验证

2．3 计算水翼绕流的粘性流体力学方法

2．3．1 计算流体力学软件的原理

2．3．2 单翼的CFD计算模型

2．3．3 模型有效性验证

2．3．4 串列翼的CFD计算模型

2．3．5 模型有效性验证

2．4 本章小结

第3章 单个振动翼的能量采集性能分析

3．1 振动翼能量采集实验样机

3．1．1 几种典型的实验样机

3．1．2 新型全被动式振动翼发电样机设计

3．2 样机实验与结果分析

3．2．1 实验方案的设计

3．2．2 相关的参数定义

3．2．3 实验数据的处理

3．2．4 理论与实验值的对比

3．3 振动翼运动参数的影响

3．4 机冀流场与瞬时受力

3．4．1 θ0=600工况

3．4．2 θ0=650工况

3．4．3 θ0=700工况

3．5 本章小结

第4章 串列振动翼的能量采集性能分析

4．1 能量采集模式的尾流场

4．2 串列翼的全局相位

4．2．1 全局相位的定义

4．2．2 全局相位的影响规律

4．3 串列翼流场与瞬时受力分析

4．3．1 低效率工况与涡融合模式

4．3．2 中效率工况与涡相间模式

4．3．3 高效率工况与涡配对模式

4．4 三种涡干扰模式的对比分析

4．5 本章小结

第5章 串列振动翼的推进性能分析

5．1 振动翼推进模式的尾流场

5．2 全局相位的影响规律

5．3 串列翼流场与瞬时受力分析

5．3．1 推力与效率最低工况与涡穿破-融合模式

5．3．2 推力最大工况与涡增强模式

5．3．3 推进效率最高工况与涡配对模式

5．4 三种涡干扰模式的对比

5．5 本章小结

结论

总结

本文的创新之处

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢