本文對(duì)尾鰭波狀推進(jìn)在層流/湍流中的水動(dòng)力特性、流場(chǎng)特性、尾渦結(jié)構(gòu)等問題進(jìn)行全面的研究,對(duì)三維平板的波狀運(yùn)動(dòng)做了初步探究。主要的工作及相關(guān)結(jié)論如下:提出了一種自適應(yīng)貼體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格快速生成的動(dòng)網(wǎng)格計(jì)算方案,解決了在復(fù)雜邊界柔性運(yùn)動(dòng)的流場(chǎng)中使用高精度結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的應(yīng)用問題。該方法依據(jù)邊界運(yùn)動(dòng),逐時(shí)間步快速生成全流場(chǎng)新的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。有效避免了高計(jì)算負(fù)荷、網(wǎng)格交叉、多時(shí)間步網(wǎng)格質(zhì)量下降等問題。使用NACA0010翼型作為魚體模型模擬波狀游動(dòng)。對(duì)其在層流/湍流條件下的研究發(fā)現(xiàn),在層流狀態(tài)下,魚體波狀推進(jìn)的推進(jìn)效率η_P為40%至60%。在湍流狀態(tài)下,波狀推進(jìn)的推進(jìn)效率η_P接近80%。在層流狀態(tài)下（Re<10⁴）魚體波狀運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致魚體所受的摩擦阻力相較于剛體拖曳顯著提高,而湍流狀態(tài)時(shí)（Re>10⁶）,魚體的摩擦阻力開始低于剛體。且隨著雷諾數(shù)Re的增加,摩擦阻力下降的趨勢(shì)更加明顯。對(duì)湍流流場(chǎng)進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),尾流中的無論是湍動(dòng)能或是湍流黏度比相對(duì)于剛體均出現(xiàn)了下降。隨雷諾數(shù)Re的增大,下降幅度逐漸增大,這... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁(yè)數(shù)】：102 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

魚類身體結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1-3 BCF 游動(dòng)模式—(a)鰻鱺模式；(b)亞鲹科模式；(c)鲹科模式；(d)金槍魚模式[3]Fig.1-3 BCF modes(a) anguilliform; (b) subcarangiform; (c) carangiform; (d) thunniform[3]對(duì)于鰻鱺模式，整個(gè)魚體都進(jìn)行彎曲波動(dòng)且波幅較大。通常魚體會(huì)呈現(xiàn)為至少一個(gè)完整的波形。亞鲹科模式和鲹科模式有著相似的形態(tài)和機(jī)理，但兩種模式進(jìn)行波動(dòng)的身體長(zhǎng)度百分比不同。對(duì)于亞鲹科模式，約一半的身體會(huì)進(jìn)行波動(dòng)，而對(duì)于鲹科模式，只有約身體的后 1/3 才進(jìn)行波動(dòng)。金槍魚模式通常是快速游動(dòng)魚游生物采用的游動(dòng)方式，因此也被認(rèn)為是快速游動(dòng)魚類進(jìn)化的杰出代表。與前面幾種模式不同的是，約 90%的推力都來自于尾鰭。這樣的游動(dòng)模式使得如金槍魚、鯊魚等海洋生物能夠長(zhǎng)時(shí)間保持很高的巡游速度。1.3 魚類游動(dòng)的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展魚游生物長(zhǎng)久以來就是仿生學(xué)研究中的重點(diǎn)研究對(duì)象之一，其研究包括了材料、傳感器、生物力學(xué)等多方面的內(nèi)容。其中類魚游動(dòng)的流體力學(xué)特性是重要組成部分。類魚游動(dòng)的流體力學(xué)問題研究對(duì)象是做波狀游動(dòng)的可變性柔性體，非線性、非定常特征格外明顯。類魚游動(dòng)的流體力學(xué)研究的先驅(qū)者是英國(guó)動(dòng)物學(xué)家

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文格下求解高黏度流的 NS 方程來研究蠕動(dòng)推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)蠕動(dòng)的有效推進(jìn)運(yùn)動(dòng)依賴于雷諾數(shù)。Nakaoka 和 Toda[13]采用動(dòng)網(wǎng)格求解 NS 方程模擬 NACA0010 類魚游動(dòng)時(shí)的流場(chǎng)，結(jié)果顯示類魚運(yùn)動(dòng)是得到推力的有效方式，三種運(yùn)動(dòng)模型被相互比較并導(dǎo)出產(chǎn)生大的平均推力的辦法。Doi 和 Yhomatsu[14]數(shù)值研究了高黏性流體中波狀擺動(dòng)板周圍的非定常黏性流場(chǎng)，討論了波狀擺動(dòng)板在高黏性流中產(chǎn)生推力的能力，以及推力和推進(jìn)效率對(duì)波數(shù)和相速度的依賴性。近年來，關(guān)于魚游水動(dòng)力特性的相關(guān)研究也取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。Gazzola[15]等研究了極大范圍內(nèi)的生物游動(dòng)特征，重點(diǎn)考察了不同動(dòng)物在不同的流體環(huán)境內(nèi)的尺度效應(yīng)。他們提出一個(gè)新的參數(shù)，并稱之為游動(dòng)系數(shù)（Swimming number, Sw）。通過對(duì)實(shí)際生物數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)計(jì)和相關(guān)數(shù)值模擬的計(jì)算，研究得出對(duì)于自然界中的游動(dòng)物體，從蠕蟲、幼魚苗到哺乳動(dòng)物、到各種魚類，他們的游動(dòng)系數(shù) Sw 與他們游動(dòng)環(huán)境的 Re 的聯(lián)系均落在了指數(shù)律上。在層流中，雷諾數(shù) Re 正比于游動(dòng)系數(shù)的 4/3 次方；在湍流中，雷諾數(shù) Re 正比于 Sw。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
[1]柔性長(zhǎng)鰭扭波推進(jìn)空間渦結(jié)構(gòu)研究與推進(jìn)機(jī)理分析[D]. 白亞強(qiáng).中國(guó)艦船研究院 2016
[2]任意運(yùn)動(dòng)變形邊界流場(chǎng)測(cè)量PIV算法的研究[D]. 曹洪才.上海交通大學(xué) 2014
[3]基于DPIV技術(shù)的擺動(dòng)尾鰭流場(chǎng)特性研究[D]. 老軼佳.江蘇科技大學(xué) 2009



本文編號(hào)：3331852