本文主要采用動網(wǎng)格技術(shù)對柔性翼仿生推進特性進行數(shù)值模擬研究,系統(tǒng)分析運動幅值、運動頻率以及來流速度對柔性翼推進特性的影響,確立最佳斯特哈爾數(shù)。對不同斯特哈爾數(shù)下柔性方的渦流場結(jié)構(gòu)進行分析,從流動機理角度對研究結(jié)果進行了解釋。 

【文章來源】：艦船科學(xué)技術(shù). 2020,42(17)北大核心

【文章頁數(shù)】：5 頁

【部分圖文】：

計算模型示意圖Fig.1Diagramofcomputationmodel

常數(shù)。本文的柔性翼行波推進運動屬于典型的動邊界問題，變形翼擺動推進過程中，翼型本身時刻都在做扭曲變形運動，壁面附近計算網(wǎng)格的位置和形狀也必須時刻進行相應(yīng)的調(diào)整，因此需要用到Fluent中的動網(wǎng)格技術(shù)來捕捉變形翼的運動邊界。根據(jù)前期工作經(jīng)驗，本文選取動網(wǎng)格技術(shù)中的網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)對動邊界進行捕捉，具體動網(wǎng)格技術(shù)見參考文獻[10–11]。2計算模型、網(wǎng)格及數(shù)值方法驗證2.1計算模型計算對象為二維的NACA0012翼型，具體如圖1所示。圖1計算模型示意圖Fig.1Diagramofcomputationmodel可變形翼舵中弧線長c=0.2m,后緣變形起始位置xs，以翼型尾部任意一點a（初始橫縱坐標(biāo)分別為x0和y0，其中x0>xs）為例，翼型變形運動方程如下式：x=x0,y=y0+A·sin(2πft)=y0+(cx0)·tan(θ)·sin(2πft)。(3)其中f為運動頻率，A為運動幅值。一個運動周期內(nèi)變形翼的運動過程如圖2所示。其中T為運動周期，其與頻率f的關(guān)系為T=1/f。圖2一個周期內(nèi)可變形翼運動示意圖Fig.2Motiondiagramofdeformablewinginonecycle2.2網(wǎng)格劃分與邊界條件本文選取計算域大小如圖3所示。翼型前緣向前3c，設(shè)定來流速度的大小與方向；翼型向后6c，設(shè)定相對于參考壓力點的流體靜壓值；翼型外表面，設(shè)定無滑移條件，同時加載UDF使其按照給定運動方程變形運動；上下邊界距離計算模型表面約4c，邊界條件亦設(shè)為速度入口條件，以模擬無界流常本文計算中使用的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分基本原則為在模型表面附近網(wǎng)格加密，其中第一層網(wǎng)格間距根據(jù)y+確定（y+平均值約為1左右）。全局網(wǎng)格大約45萬，網(wǎng)格無關(guān)性驗證工作見參考本文獻[10]。2.3數(shù)值方法驗證開展數(shù)值方法精度驗證工作，計算模型與參考文獻[12]一致，即二維NACA0012翼型。該翼型做拍動運動，相?

始位置s=0.4c,來流速度V=1m/s,運動周期T=0.5s，運動幅值A(chǔ)=0.021（對應(yīng)的θ值為10°）為例分別選取時間步長Δt=0.0001s,0.001s和0.005s進行計算驗證。計算得到的變形翼阻力系數(shù)隨時間變化曲線如圖5所示。圖5時間步長驗證結(jié)果Fig.5Validationresultsoftimestep其中，CD表示阻力系數(shù)，其表達式如下式：CD=D1/2·ρ·V2·c2。(4)其中：D表示變形翼所受到的阻力值，ρ為水的密度，值為998.2kg/m3。從圖5可以看出，當(dāng)時間步長減小至0.001s后，計算得到的變形翼阻力系數(shù)與時間步長為0.0001s下計算得到的阻力系數(shù)變化曲線近乎吻合。因此在后續(xù)計算中時間步長Δt設(shè)為0.001s。3計算結(jié)果及分析3.1柔性變形翼推進特性分析對不同來流速度、運動頻率和運動幅值下的變形翼推進特性進行數(shù)值模擬，共有45個不同組合的工況。具體工況為：來流速度設(shè)為V=0.1m/s,0.5m/s和1.0m/s運動幅值設(shè)為A=0.021m，0.043m和0.069m（對應(yīng)的θ值分別為10°，20°和30°），運動頻率f的變化范圍隨來流速度不同而相應(yīng)變化。具體表現(xiàn)為：V=0.1m/s時，f取值分別為0.4,0.5,0.6,1.0和2.0Hz；V=0.5m/s時，f取值分別為1.0,1.5,2.0,2.5和3.0Hz；V=1.0m/s時，f取值分別為2.5,3.0,3.5,4.0和4.5Hz。其原因在于，通過查閱文獻[1,4]可知，來流速度越大，克服流體阻力做功所需的運動頻率亦越大。因此為了達到研究運動參數(shù)對變形翼推進性能的影響同時又兼顧計算效率，本文在低來流速度時，選取較低的運動頻率與之匹配，反之亦然。在進行計算結(jié)果分析前，首先對變形翼推力系數(shù)和推進效率進行定義。變形翼推進效率實質(zhì)上為輸出功率與輸入功率的比值，輸出功率可以表征為平均推力與來流速度的乘積，輸入功率則可以表示為翼型表面速度壓力乘積沿著翼型邊界的積分，具體如下?

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Numerical studies of the hysteresis in locomotion of a passively pitching foil[J]. 邵雪明,張曉龍,余釗圣.  Journal of Hydrodynamics. 2016(03)
[2]二維擺動水翼仿生推進水動力性能研究[J]. 張曉慶,王志東,張振山.  水動力學(xué)研究與進展（A輯）. 2006(05)



本文編號：3432961