仿生水翼推进的数值模拟和实验研究

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1、硕士学位论文仿生水翼推进的数值模拟和实验研究NUMERICALSIMULATIONANDEXPERIMENTALRESEARCHONPROPULSIONOFBIONICHYDROFOIL刘富娟哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文仿生水翼推进的数值模拟和实验研究硕士研究生：刘富娟导师：陈维山教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP24

2、2.2U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALSIMULATIONANDEXPERIMENTALRESEARCHONPROPULSIONOFBIONICHYDROFOILCandidate：LiuFujuanSupervisor：Prof.ChenWeishanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：Schoo

3、lofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要海洋空间蕴含的丰富资源使人们对海洋的开发不断加大技术投入，各种复杂的工程应用和水下环境对水下航器的推进性能要求越来越高。传统的螺旋桨推进存在着效率低，机动性能差，效率低和噪声大等缺点，极大地限制了其在狭窄、复杂和动态环境中的应用。为了克服上述缺陷，适应未来海洋开发与探索的需求，有必要寻找更加

4、优良的新型水下推进方式。海洋生物经过亿万年进化，获得了非凡的水下运动性能，因此仿生推进成为水下推进技术的研究热点。游动生物鳍或翼的拍动形式有对称和非对称两种，其中对称拍动的推进效率相对非对称拍动较高，非对称拍动在一定条件下可能获得较大的推力或者升力。大多数工程研究里面，拍动水翼只有横向运动是自由的，这样，运动自由度减少，工程实现比较容易，然而，这种约束使得仿生样机不能准确反映观测对象的运动。针对仿生水翼的拍动问题，本文采取流体计算仿真和实验测量相结合的方法，首先进行运动学建模，在原有两自由度的基础上研究三自由度的非对称拍动。基于三维

5、非定常，不可压缩流体控制方程，用商业软件Fluent对仿生水翼在流场中的拍动问题进行数值计算，得到水翼拍动过程中产生的推力、升力和转矩，并分析水翼拍动过程的流场，解释仿生水翼推进机理，证明了不同拍动形式在获取大的推进力和高的推进效率之间存在平衡而又矛盾的关系。然后分析了水翼运动参数对水翼拍动的影响规律，采用曲面响应法（ResponseSurfaceMethodology,RSM），研究多个参数对推进效率的综合影响，并得到一个多项式预测模型，为将来设计仿生推进器的研究提供参考。最后设计了一种经济可行的仿生水翼运动实验装置，通过伺服控制

6、实现水翼的升沉和俯仰运动，以及拖动运动；选用拉压力传感器，实时获取水翼拍动过程中产生的推进力和升力，为拍动翼的水动力分析，流场数值模拟等研究内容提供一个实验验证载体。关键词：仿生推进；拍动水翼；响应曲面法；实验设计-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractDuetotheabundantresourcescontainedwiththemarinespace,thetechnicalinputsformarinedevelopmentareincreasinggradually.Avarietyofcomplexengin

7、eeringapplicationsandunderwaterenvironmentimprovetherequirementsforthepropulsiveperformanceofunderwaternavigator.Thetraditionalpropellershavethedisadvantagesoflowefficiency,poormaneuveringperformance,bignoiseandothershortcomings,whichgreatlylimitstheirapplicationinnarr

8、ow,complexanddynamicenvironments.Toovercometheseshortcomingsandmeetthefutureneedsofmarinedevelopmentandexploration,it