波状游动物体的推进性能及优化

论文摘要

水生动物具有高效率的游动特性,蕴涵了丰富的流体力学现象。对水生动物高效游动的研究,可加深对相关自然现象及其内在规律的认识,同时为研制新一代的水下航行器提供启示。波状摆动是水生动物普遍采用的一种推进方式。本文基于无粘势流理论的面元法计算了几种波状游动物体的推进性能,并采用逐步二次规划方法对物体的摆动方式进行了优化。具体的工作和结论分述如下:(1)基于线化涡格法求解波动板的推进性能,发展了一套对摆动方式进行优化的方法。该方法增加摆动幅值约束以消除优化问题存在的奇性,采用逐步二次规划方法以避免传统Lagrange乘子法可能得到的鞍点。采用该方法,对波动板的摆动方式进行优化。结果表明,最优解都在幅值约束边界上获得;在前缘吸力最小值对应的频率附近,效率较大;当波数增加,该频率区域内极大效率增长较为明显,同时前缘吸力相应减小,使得前缘分离的风险减弱;0次幂和2次幂组合运动(OP02)的极大效率同0次幂和1次幂组合运动(OP01)的极大效率相近,两项组合运动的极大效率要小于三项(OP012)组合运动的极大效率;波数的增加,三维效应减弱,展弦比对力能参量的影响减弱。(2)基于点涡的非线性面元法求解二维大振幅波动板推进性能,并利用上述方法对波动板摆动方式进行优化。结果表明,当幅值减小、频率减小或者波数增加时,非线性波动板结果同线化波动板结果接近,最优解在约束的边界上获得;幅值较大且频率较大时,非线性波动板解远离线化解,最优解在幅值约束的边界内;极大效率随着频率的增加而减小,随着波数的增加而增加。(3)基于等强度源(汇)联合等强度涡的非线性面元法求解二维波动翼形的推进性能,并利用同样的方法对波动翼形的摆动方式进行优化。结果表明,当频率和幅值较小时,优化解取在幅值约束的边界,当频率和幅值较大时,优化解不在边界上,这同非线性波动板优化结果定性一致;频率的增加,使得极大效率逐渐减小,相应的前缘吸力增加;增加波数效果相反。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 插图目录
• 表格目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 实验研究
• 1.2.2 数值模拟
• 1.2.3 理论研究
• 1.3 本文工作
• 1.4 论文结构安排
• 第二章 数值方法
• 2.1 无粘势流模型
• 2.2 边界积分公式
• 2.3 涡格法
• 2.3.1 涡格法程序的验证
• 2.4 面元法
• 2.4.1 强度线性分布涡面元
• 2.4.2 边界条件
• 2.4.3 方程离散
• 2.4.4 力能参数的求解
• 2.4.5 尾迹涡的光滑
• 2.4.6 面元法的改进
• 第三章 优化问题的奇性以及优化方法
• 3.1 优化问题和极值条件
• 3.2 优化方法
• 3.2.1 Lagrange乘子法和SQP方法
• 3.2.2 拟牛顿算法：BFGS校正
• 3.3 波动板的最优摆动问题
• 3.3.1 问题简介
• 3.3.2 数学公式
• 3.3.3 Lagrange乘子法
• 3.3.4 问题的奇性和不可见模态
• 3.3.5 约束优化方法
• 3.4 本章小结
• 第四章 小幅线化波动板的推进性能及摆动方式优化
• 4.1 物理问题描述
• 4.2 优化结果与分析
• 4.2.1 0次幂和1次幂组合优化
• 4.2.2 几种不同组合运动的比较
• 4.2.3 展弦比的影响
• 4.2.4 讨论
• 4.3 本章小结
• 第五章 非线性波动板的推进性能与摆动方式优化
• 5.1 引言
• 5.2 程序验证
• 5.2.1 定常结果
• 5.2.2 突然起动
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 直线游动
• 5.3.2 同线化理论的比较
• 5.3.3 非线性优化结果
• 5.4 本章小结
• 第六章 波动翼形的推进性能分析
• 6.1 引言
• 6.2 程序的验证
• 6.2.1 定常验证
• 6.2.2 翼形的突然起动
• 6.2.3 翼形的沉浮振动
• 6.3 数值分析与讨论
• 6.3.1 摆动频率对受力、功耗和尾迹涡的影响
• 6.3.2 波数对受力、功耗和尾迹涡的影响
• 6.3.3 摆动幅度对受力、功耗和尾迹涡的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 波动翼形摆动方式的优化
• 7.1 引言
• 7.2 优化结果
• 7.2.1 推进性能和摆动方式
• 7.2.2 瞬时流体动力
• 7.2.3 尾流速度剖面和尾迹涡
• 7.3 本章小结
• 第八章 结论与展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果
• 致谢