【摘要】：柱體和翼型作為船舶、航空和建筑等領(lǐng)域中非常重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),有著非常廣泛的工程應(yīng)用前景。研究柱體和翼型的水動力性能可以為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供更加直接的參考依據(jù),這也是國內(nèi)外研究學者的工作熱點。在自然界的動植物中,柱狀仙人掌和座頭鯨的胸鰭都是具有仿生凹凸形式的柔性結(jié)構(gòu),分別對應(yīng)柱體與翼型兩大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu),本文將仿生學原理以及柔性材料應(yīng)用于水動力學方向上的研究中,借鑒柱狀仙人掌和座頭鯨胸鰭的形狀,并考慮柔性材料對其的影響,進行了數(shù)值模擬與實驗研究,為工程領(lǐng)域中柱體和翼型的研究設(shè)計提供了一條比較新穎的路線。國內(nèi)外研究學者對于剛性的仿生凹凸結(jié)構(gòu)以及二維的柔性結(jié)構(gòu)開展過一些研究,然而很少將仿生凹凸形式與柔性材料相結(jié)合,開展系統(tǒng)地研究。在仿生柱體結(jié)構(gòu)方面,本文根據(jù)柱狀仙人掌的形態(tài)特征,建立了三維模型及其流固控制域等,對不同雷諾數(shù)條件下的剛性與柔性的仿柱狀仙人掌結(jié)構(gòu)繞流進行了數(shù)值模擬分析,得到其升阻力及流場特性,對比發(fā)現(xiàn):柱體繞流形成了湍流渦街,產(chǎn)生了渦激振動,且具有明顯的三維特性,于大多數(shù)工況下,不規(guī)則的截面形狀與柔性材料對于柱體繞流具有一定的影響。針對仿柱狀仙人掌結(jié)構(gòu)的數(shù)值計算結(jié)果,本文采用3D打印的方式制作仿柱狀仙人掌結(jié)構(gòu)模型,在循環(huán)水槽中對其開展實驗研究,結(jié)果表示:相對于圓柱來說,橫截面形狀不規(guī)則的仿柱狀仙人掌結(jié)構(gòu)普遍具有減阻減振的效果,而柔性材料的效果一般。在仿生翼型結(jié)構(gòu)方面,本文通過觀察座頭鯨胸鰭的輪廓外形,設(shè)計了三維幾何模型,并設(shè)置了相關(guān)變量,計算得到了不同攻角條件下剛性與柔性的仿座頭鯨鰭結(jié)構(gòu)的升阻力和流場特性,分析結(jié)果表明:柔性材料對于本文研究的鰭結(jié)構(gòu)的影響顯著。
【圖文】：

機體長的二十倍附近。科學家們對這個海中巨型生物的高效回轉(zhuǎn)性能十分震驚，并展開逡逑了一系列深入的探索研究工作。他們發(fā)現(xiàn)座頭鯨的這種特殊屬性是由于其具有前緣凹凸逡逑結(jié)節(jié)形式的鰭狀肢，如圖１．２所示，該鰭狀肢產(chǎn)生的升力為座頭鯨供給了非常大的回轉(zhuǎn)逡逑動力［Ｍ】。逡逑圖１．２座頭鯨的凹凸鰭狀肢逡逑尤其需要注意的是，座頭鯨的凹凸鰭狀肢本身的材質(zhì)并非是剛性體，而是一種可彈逡逑性變形的材料，將柔性復合材料考慮到仿座頭鯨鰭結(jié)構(gòu)的研究中，突破了傳統(tǒng)仿座頭鯨逡逑鰭剛性結(jié)構(gòu)研究的瓶頸，具有十分可觀的前瞻性與創(chuàng)新性，能夠在船舵、螺旋槳、機翼逡逑和風機扇葉等處發(fā)揮其應(yīng)用價值。所以，考察仿座頭鯨鰭柔性結(jié)構(gòu)的形變特點與流場特逡逑性，既有非常必要的科學研究價值，，又有顯著的社會經(jīng)濟效益。逡逑１．３國內(nèi)外研究現(xiàn)狀逡逑１．３．１仿生柱體結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀逡逑考慮到柱體繞流在學術(shù)價值及實踐應(yīng)用中的重要作用，海內(nèi)外眾多科研人員對柱體逡逑繞流進行了多方面的考察，目前的科研成果通常是把普通的圓柱當作考察的對象，很少逡逑對仿柱狀仙人掌結(jié)構(gòu)的柱體繞流進行過系統(tǒng)地研究。逡逑２００１年

Ｌ／Ｄ－邋０．０３５邐Ｌ／Ｄ＾邐０．１０５逡逑圖１．３１３０００時的流場煙流圖逡逑２００８年，ＰｒａｄｅｅｐＢａｂｕ等在雷諾數(shù)為２０、１００和３００的條件下，進行了仿柱狀仙人逡逑掌結(jié)構(gòu)的柱體繞流的直接數(shù)值模擬研宄，并和普通圓柱結(jié)果展開了對比分析。其研宄成逡逑果表明．？在仿柱狀仙人掌結(jié)構(gòu)的柱體的溝槽內(nèi)會形成漩渦，從而削弱了壁面應(yīng)力，如圖逡逑１．４所示。仿柱狀仙人掌結(jié)構(gòu)的柱體的阻力可比普通圓柱的�。常梗ィ宜固貏诠枖�(shù)也逡逑下降了約１０％［６］。逡逑，惑ｍ象禁逡逑０邐０邋０５邐０邋１邐０邋１５逡逑．ｒ／Ｄ逡逑圖１．４處＝２０時凹槽內(nèi)流動矢量圖逡逑２００９年，何鴻濤計算剖析了圓柱繞流及其控制方式，研討了／？ｅ邋＝邋１００、３９００和８．２７逡逑Ｘ１０６三個雷諾茲數(shù)狀態(tài)下的二維圓柱繞流情況，數(shù)值模擬了繞流流場。對于三個雷諾逡逑茲數(shù)情況下的圓柱繞流分別使用分流平板、肩部吸氣和尾部吹氣三種控制方式
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：U661.3;P75

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