基于地效的仿生海豚胸鳍推进性能数值研究

摘要

面对陆地资源日益枯竭的现状，各技术强国之间关于海洋石油天然气资源开发的竞争愈演愈烈，但受海洋中复杂的风、浪、流等环境载荷的限制，海洋油气资源勘探难度较大，对勘探设备的性能提出了很高的要求。近年来，受海豚、鲸鱼、金枪鱼等鲔游式海洋生物启发，采用仿生拍动翼推进的AUV迅速发展为海洋资源勘探的利器，成为计算流体力学领域研究的热点。
　　本文采用商业CFD软件FLUENT进行了仿生海豚胸鳍推进性能的数值计算，主要考虑拍动翼的横摇(Roll)运动和俯仰(Pitch)运动。在数值计算过程中，利用ICEM-CFD软件划分混合网格，采用基于压力的非定常求解器，选用一阶隐式的SIMPLEC算法和RNGk-ε湍流模型，运用动网格策略和UDF功能，实现预定的运动规律和每一时间步的网格重构。为验证本文数值方法的有效性和准确性，本文数值模拟了MIT拖曳水池0.4m×0.1m的NACA0012截面拍动翼的水池实验，数值计算结果与实验结果吻合良好。
　　本文将地效原理应用于仿生拍动翼推进，定义了仿生拍动翼无地效、单地效和双地效三种推进模式。本文首先运用FLUENT数值计算了正投影面积均为S=0.25 m2的6种不同仿生海豚胸鳍纯粹横摇运动下的无、单、双地效推进的推进性能，数值计算结果显示，在三种推进模式下，均为仿生座头鲸胸鳍的推进性能最佳。且对于某种特定的仿生海豚胸鳍而言，拍动频率越高，其一个周期内的平均推力和推进效率越高;拍动频率一定时，三种地效推进模式推进性能由高到低为:双地效＞单地效＞无地效。
　　然后，本文又运用FLUENT数值计算了仿生座头鲸胸鳍横摇与俯仰复合运动下的无、单、双地效推进的推进性能，考虑的参数主要有俯仰运动振幅、横摇与俯仰相位差、拍动频率等。数值计算结果显示，在三种推进模式下，最佳俯仰振幅和最佳横摇与俯仰相位差是统一的，均为:θ0=6°，ψ=90°。且拍动频率越高，仿生座头鲸胸鳍一个周期内的平均推力和推进效率越高;拍动频率一定时，三种地效推进模式推进性能由高到低为:双地效＞单地效＞无地效。
　　最后本文运用FLUENT后处理的可视化技术得到了仿生座头鲸胸鳍后方的3-DIso-Surface速度等值云图和涡量等值云图，从尾涡的生成、发展和泄放的角度解释了翼型后方的反卡门涡街现象及其瞬时推力呈现周期性变化的机理。
　　本文的工作为AUV的设计提供一定的参考，具有很大的理论价值和现实意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 水下仿生拍动翼的研究进展

1．3 本论文主要工作

2 仿生拍动翼推进的基本理论

2．1 仿生推进的基本概念

2．2 地效原理及其在仿生拍动翼上的应用

2．3 拍动翼的运动学原理

2．4 表征拍动翼推进性能的参数定义

2．5 六种仿生海豚胸鳍拍动翼简介

2．6 无地效、单地效和双地效推进模式的说明

2．7 本章小节

3 无地效仿生海豚胸鳍推进性能数值模拟

3．1 数值方法简介

3．1．1 控制方程与湍流模型

3．1．2 网格划分策略

3．1．3 动网格策略与UDF

3．1．4 FLUENT软件中的参数设置

3．2 MIT实验验证

3．3 无地效纯粹横摇运动的推进性能数值模拟

3．4 无地效横摇与俯仰复合运动的推进性能数值模拟

3．4．1 横摇与俯仰相位差ψ的影响

3．4．2 俯仰运动振幅θ0的影响

3．4．3 拍动频率f的影响

3．5 无地效纯粹横摇运动和横摇与俯仰复合运动推进性能比较

3．6 无地效仿生海豚胸鳍后方的尾涡结构

3．7 本章小结

4 单地效仿生海豚胸鳍推进性能数值模拟

4．1 单地效纯粹横摇运动的推进性能数值模拟

4．2 单地效横摇与俯仰复合运动的推进性能数值模拟

4．2．1 横摇与俯仰相位差ψ的影响

4．2．2 俯仰运动振幅θ0的影响

4．2．3 拍动频率f的影响

4．3 单地效纯粹横摇运动和横摇与俯仰复合运动推进性能比较

4．4 单地效仿生海豚胸鳍后方的尾涡结构

4．5 本章小结

5 双地效仿生海豚胸鳍推进性能数值模拟

5．1 双地效纯粹横摇运动的推进性能数值模拟

5．2 双地效横摇与俯仰复合运动的推进性能数值模拟

5．2．1 横摇与俯仰相位差ψ的影响

5．2．2 俯仰运动振幅θ0的影响

5．2．3 拍动频率f的影响

5．3 双地效纯粹横摇运动和横摇与俯仰复合运动推进性能比较

5．4 双地效仿生海豚胸鳍后方的尾涡结构

5．5 仿生海豚胸鳍无、单、双地效推进性能比较

5．5．1 纯粹横摇运动下无、单、双地效推进性能比较

5．5．2 横摇与俯仰复合运动下无、单、双地效推进性能比较

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢