【摘要】：自然界中的生物在長達(dá)億萬年的進(jìn)化過程中,經(jīng)過不斷的自然選擇,從而形成了在空氣或水等流體介質(zhì)中非凡的運(yùn)動(dòng)能力。對(duì)游動(dòng)或飛行生物的研究,可以為水下推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的推進(jìn)作用。相對(duì)應(yīng)的仿生學(xué)也隨之成為機(jī)械學(xué)科的研究熱點(diǎn),在水下探測、資源開發(fā)、國家安全等重要領(lǐng)域具有迫切需求。隨著技術(shù)的發(fā)展,以不同生物為仿生原型的水下推進(jìn)器也層出不窮,但其推進(jìn)性能與生物原型相比還有一定的差距,這凸顯了對(duì)于生物推進(jìn)機(jī)理研究的必要性。生物推進(jìn)機(jī)理研究上的發(fā)展將會(huì)帶動(dòng)原理樣機(jī)的研制。為揭示生物高效推進(jìn)的機(jī)理,國內(nèi)外學(xué)者利用多種研究方法進(jìn)行了大量的工作,包括了數(shù)值模擬和原理樣機(jī)的設(shè)計(jì),但其性能參數(shù)都無法達(dá)到仿生原型的預(yù)期效果。本文以研制高性能水下推進(jìn)器為背景,選取典型的仿生水翼為研究對(duì)象,對(duì)仿生水翼的推進(jìn)機(jī)理和復(fù)雜流場中的能量吸收機(jī)制進(jìn)行研究。以揭示仿生水翼的推進(jìn)機(jī)制為目的,提出一種求解仿生水翼推進(jìn)的數(shù)值方法。首先根據(jù)生物觀測結(jié)果,建立仿生水翼的幾何模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,在二維尺度下采用沉浸邊界法來模擬邊界的作用,流體部分的求解采用格子玻爾茲曼方法和有限差分法;在三維尺度下采用非結(jié)構(gòu)貼體網(wǎng)格來劃分流場,通過動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來模擬邊界的運(yùn)動(dòng),流體部分采用有限體積法進(jìn)行離散求解。然后,通過多個(gè)算例對(duì)數(shù)值方法的可靠性進(jìn)行部分驗(yàn)證。最后設(shè)計(jì)和搭建了仿生水翼推進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置,為數(shù)值結(jié)果的可靠性驗(yàn)證提供平臺(tái)。采用提出的數(shù)值方法,對(duì)NACA型水翼的推進(jìn)機(jī)理進(jìn)行研究。分別分析了行程角、攻角幅值、升沉幅值和斯特魯哈爾數(shù)四個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)水翼推進(jìn)性能的影響規(guī)律,采用響應(yīng)曲面法分析了四個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)水翼推進(jìn)性能的綜合影響,建立了運(yùn)動(dòng)參數(shù)與推進(jìn)性能之間的數(shù)學(xué)模型。然后分析了水翼展向柔性對(duì)水翼推進(jìn)性能的影響。通過提取水翼的尾跡流場特征,進(jìn)一步分析了運(yùn)動(dòng)參數(shù)和柔性參數(shù)對(duì)水翼推進(jìn)性能影響的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果的可靠性。考慮三維形狀對(duì)水翼推進(jìn)性能的影響,對(duì)新月型水翼的推進(jìn)機(jī)制進(jìn)行研究。分別對(duì)攻角幅值、平動(dòng)幅值和斯特魯哈爾數(shù)三個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及展向柔性參數(shù)對(duì)水翼推進(jìn)性能的影響進(jìn)行了分析,采用響應(yīng)曲面法分析了三個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)水翼推進(jìn)性能的綜合影響,建立了運(yùn)動(dòng)參數(shù)與推進(jìn)性能之間的數(shù)學(xué)模型。通過提取水翼的尾跡流場特征,進(jìn)一步分析了運(yùn)動(dòng)參數(shù)和柔性參數(shù)對(duì)水翼推進(jìn)性能影響的水動(dòng)力學(xué)機(jī)制。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值結(jié)果的可靠性。自然界中生物游動(dòng)所處的流場環(huán)境是復(fù)雜多變的,其推進(jìn)過程存在復(fù)雜的減阻和能量吸收機(jī)制,對(duì)復(fù)雜流場中水翼推進(jìn)機(jī)理的研究具有重要意義。首先,對(duì)柔性板和剛性圓柱在自由來流下的耦合振動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,探討了柔性體的能量吸收機(jī)制,進(jìn)一步分析了間距、質(zhì)量比和雷諾數(shù)對(duì)耦合振動(dòng)的影響;對(duì)卡門渦街中二維水翼的自由波動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了不同間距下水翼運(yùn)動(dòng)模式和對(duì)應(yīng)的流場特征;為驗(yàn)證鮪科仿生原型幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型的可靠性,首先對(duì)鮪科仿生原型的自主推進(jìn)進(jìn)行了數(shù)值模擬,然后對(duì)串列NACA型水翼和串列鮪科仿生原型的推進(jìn)進(jìn)行數(shù)值模擬,通過提取受力參數(shù)和流場特征,分析了其相互作用和能量吸收機(jī)制。
[Abstract]:In the course of evolution for hundreds of millions of years, organisms in nature have undergone constant natural selection, thus forming extraordinary mobility in fluid media such as air or water. The study of swimming or flying organisms can greatly promote the development of underwater propulsion technology. With the development of technology, underwater thrusters with different bionic prototypes emerge in endlessly, but their propulsion performance is still lagging behind that of biological prototypes, which highlights the necessity of studying the mechanism of biological propulsion. In order to reveal the mechanism of bio-efficient propulsion, scholars at home and abroad have done a lot of work by using a variety of research methods, including numerical simulation and prototype design, but its performance parameters can not achieve the expected results of bionic prototype. In order to reveal the propulsion mechanism of bionic hydrofoil, a numerical method for solving the propulsion of bionic hydrofoil is proposed. Firstly, bionic hydrofoil is established according to the results of biological observation. On this basis, immersion boundary method is used to simulate the action of the boundary in two-dimensional scale, lattice Boltzmann method and finite difference method are used to solve the fluid part, unstructured body-fitted grid is used to divide the flow field in three-dimensional scale, and moving grid technology is used to simulate the movement of the boundary, fluid. Finally, a bionic hydrofoil propulsion experimental device is designed and built to provide a platform for the reliability verification of numerical results. The propulsion mechanism of NACA hydrofoil is studied by using the proposed numerical method. The influence of stroke angle, angle of attack amplitude, heave amplitude and Strouhal number on hydrofoil propulsion performance is analyzed. The comprehensive influence of four motion parameters on hydrofoil propulsion performance is analyzed by response surface method. The mathematical model between motion parameters and propulsion performance is established. Then the hydrofoil flexibility is analyzed. The influence of motion parameters and flexible parameters on hydrofoil propulsion performance is further analyzed by extracting hydrofoil wake flow field characteristics. Finally, the reliability of numerical results is verified by experiments. The effects of three motion parameters, i.e. attack angle amplitude, translational amplitude, Strouhal number, and spread flexibility on hydrofoil propulsion performance are analyzed. The comprehensive effects of the three motion parameters on hydrofoil propulsion performance are analyzed by response surface method, and the mathematical model between motion parameters and propulsion performance is established. The characteristics of wake flow field of hydrofoil are extracted, and the hydrodynamic mechanism of the influence of motion parameters and flexible parameters on hydrofoil propulsion performance is further analyzed. Finally, the reliability of numerical results is verified by experiments. Firstly, the coupled vibration of a flexible plate and a rigid cylinder in free flow is numerically simulated, the energy absorption mechanism of the flexible body is discussed, and the effects of spacing, mass ratio and Reynolds number on the coupled vibration are further analyzed. In order to verify the reliability of the geometric model and the motion model of the bionic prototype of the tuna family, the self-propulsion of the bionic prototype of the tuna family was numerically simulated, and then the tandem NACA hydrofoil and the tandem bionic prototype of the tuna family were advanced. The interaction and energy absorption mechanism were analyzed by extracting force parameters and flow field characteristics.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：Q811

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本文編號(hào)：2239841