仿生翼推进器单/双地效特性的数值研究

论文摘要

仿生拍动翼推进是水下机器人的一种推进方式,它是基于仿生学原理,结合流体力学等相关的学科而形成的,是目前水动力学较为热门的研究方向。依据地效理论发展出的实际应用大多为地效飞行器,而基于地效原理设计或发明出来的水下推进器很少。本文结合前人的理论结果,基于相关的水下推进器的设计理念,提出了一种新型的水下推进装置。本文以平均雷诺纳维尔—斯托克斯（RANS）方程为控制方程,采用RNG k-ε模型和有限体积法求解控制方程,以二阶隐式时间离散和二阶迎风空间离散格式对控制方程进行离散,最终采用SIMPLEC算法耦合求解控制方程。为验证程序的有效性,计算了NACA0012翼型的水动力性能,并与相关的典型试验数据进行了对比,结果表明,本文的算法准确可靠。基于上述算法,文本对单一运动下,六种摆翼的单地效前驱动和双地效后驱动的水动力性能进行了大量的计算。计算结果表明,在单地效和双地效的情况下,六种翼型的平均推力系数和效率均要比无地效的平均推力系数和效率要高；同时,双地效的平均推力系数和效率要比单地效下的平均推力系数和效率数值高。综上所述,本文提出的新型的水下推进装置,既具有传统水下推进器的优点,又能很好的把地效应原理应用于实践。这种新型的地效应推进装置既可以大幅度提高推力,同时也提高了双翼间相互作用稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 水下仿生拍动翼的基本概念
• 1.3 地面效应
• 1.4 仿生推进器的研究现状
• 1.5 本论文的主要工作
• 2 计算流体力学理论与Fluent软件应用
• 2.1 计算流体力学概述
• 2.2 流体力学控制方程
• 2.3 有限体积法
• 2.3.1 有限体积法的基本思想
• 2.3.2 有限体积法的特点
• 2.4 三维湍流模型及其在CFD中的应用
• 2.4.1 湍流的基本介绍
• 2.4.2 三维湍流数值模拟方法的分类
• 2.5 动网格技术
• 2.5.1 动网格守恒方程
• 2.5.2 动网格更新方法
• 2.6 本章小结
• 3 三维仿生摆动翼的数值模拟计算
• 3.1 摆翼概述
• 3.2 摆翼的数学模型和运动规律
• 3.3 数值方法及边界条件
• 3.3.1 几何模型与网格划分
• 3.3.2 单地效模型与网格划分
• 3.3.3 边界条件
• 3.4 摆翼的水动力参数
• 3.5 UDF的编写
• 3.6 程序（Fluent）的有效性验证
• 3.7 本章小结
• 4 单地效仿生翼的水动力性能研究
• 4.1 地效仿生翼的攻角研究
• 4.2 无地效与单地效的水动力性能比较
• 4.2.1 翼型1的无地效、单地效的比较
• 4.2.2 翼型2的无地效、单地效的比较
• 4.2.3 翼型3的无地效、单地效的比较
• 4.2.4 翼型4的无地效、单地效的比较
• 4.2.5 翼型5的无地效、单地效的比较
• 4.2.6 翼型6的无地效、单地效的比较
• 4.3 六种翼型的单地效水动力性能比较
• 4.4 六种翼型的无地效水动力性能比较
• 4.5 小结
• 5 双地效仿生翼的水动力性能研究
• 5.1 双地效介绍以及运动方程
• 5.2 无地效、单地效、双地效的水动力性能比较
• 5.2.1 翼型1的无地效、单地效、双地效的比较
• 5.2.2 翼型2的无地效、单地效、双地效的比较
• 5.2.3 翼型3的无地效、单地效、双地效的比较
• 5.2.4 翼型4的无地效、单地效、双地效的比较
• 5.2.5 翼型5的无地效、单地效、双地效的比较
• 5.2.6 翼型6的无地效、单地效、双地效的比较
• 5.3 六种翼型双地效水动力性能比较
• 5.4 六种翼型单地效水动力性能比较
• 5.5 六种翼型无地效水动力性能比较
• 5.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢