二自由度振荡水翼推进性能分析及实验研究

摘要

仿生推进是近些年逐渐兴起的一种新型推进方式，通过模仿水下生物的生态结构和运动方式，以达到良好的推进性能，为水下推进装置的研制提供了新的思路，丰富和完善了水下推进技术。本文通过模仿海龟前肢水翼推进方式，对振荡水翼推进装置进行了设计和研究。海龟水翼运动方式独特，依靠前肢水翼和后肢蹼翼的协调运动可以实现前行、升沉、转艏和悬停等复杂的运动，同时也可以在陆地上爬行，实现两栖运动。本文主要从振荡水翼推进原理分析，二自由度振荡水翼非定常流场数值模拟，二自由度振荡水翼推进装置总体方案设计及水池实验验证四部分进行了振荡水翼法推进技术的研究工作。
　　综合分析国内外对于振荡水翼推进法和推进载体技术的研究，从基于升力/阻力运动模式的角度对水翼法推进机理进行了理论研究。建立“拍旋”“位旋”耦合运动模型，从振荡水翼运动规律、影响推进性能的参数耦合分析等方面开展了振荡水翼推进技术的研究工作，为推进装置的研究提供了理论依据。
　　利用流体仿真软件Fluent对二自由度振荡水翼在不同参数（运动幅值、运动频率、来流速度等）耦合下的推进性能进行了数值模拟，并对二维振荡水翼尾涡形成和脱落的过程进行观察，同时利用Fluent仿真结果对相关驱动装置的参数进行计算，为二自由度振荡水翼推进装置的结构设计打下基础。
　　在理论分析和数值模拟分析的基础上，完成了相关驱动装置的选型工作，进行了振荡水翼推进装置的设计，包括驱动系统设计和控制测量系统设计，实现振荡水翼推进装置速度闭环和位置闭环的双闭环控制。
　　搭建二自由度振荡水翼推进装置实验平台，在不同参数耦合下进行振荡水翼水池实验，利用六轴力传感器对推力/升力进行测量，并与 Fluent数值模拟结果对比，分析不同参数对推进性能的影响。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 振荡水翼推进技术研究现状

1.3 课题来源及论文主要研究内容

第2章 二自由度振荡水翼推进机理分析

2.1 引言

2.2 振荡水翼推进法理论分析

2.3 振荡水翼几何参数分析

2.4 运动学模型建立与分析

2.5 本章小结

第3章 二自由度振荡水翼推进性能数值模拟分析

3.1 引言

3.2 Fluent数值模拟基本方程

3.3 惯性坐标系下水翼运动角速度

3.4 振荡水翼数值模拟

3.5 振荡水翼数值模拟结果收敛性分析

3.6 计算参数设定和结果分析

3.7 本章小结

第4章 二自由度振荡水翼推进装置设计

4.1 引言

4.2 实验平台设计目的与要求

4.3 驱动装置设计

4.4 实验平台整体结构设计

4.5 实验平台控制与测量系统设计

4.6 本章小结

第5章 二自由度振荡水翼推进装置水池实验

5.1 引言

5.2 实验平台搭建

5.3 静水环境下振荡水翼推进实验

5.4 循环水池环境下振荡水翼推进实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢