二维水翼的水动力性能研究及扑翼试验装置设计

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1、对水翼流体动力特性有很大影响，并使问题复杂化。翼包括空中翼和水中翼。机翼的理论研究是船舶设计和各种水中运动装置设计的理论基础，它主要研究机翼流体动力特性及其应用，包括升力特性、阻力特性、俯仰力矩特性、压力分布特性以及水翼空化的流体动力特性等等。解决这些问题的方法，可用试验方法(风洞试验、水槽试验)求得，随着近年来CFD(计算流体动力学)的发展，也日益增加理论计算方法的求解。扑翼属于非定常机翼的一类问题。人们研究非定常机翼主要有以下两方面的原因：一方面是扑翼运动会产生颤振、阵风响应和动力失速等，这个时候需要预测非定常负荷的大小和相位（或时间）滞后

2、效应；另一方面又存在扑翼非定常运动潜在有益效应可以利用，例如鱼尾摆动和昆虫振翅拍打的推进效益，人们已利用作为划桨运动、蹼板运动和一些振动推进装置。因此，本文就针对扑翼的水动力进行了研究，期望可以预测扑翼在运动过程中周围流场的水动力性能，扑翼装置能够改变船舶运动状态过程中周围流场的水动力性能，从而对船舶姿态进行调整，改善船舶运动特性，如快速性、运动稳定性等。如果将扑翼良好组合、联动控制，则可对船舶在波浪中的运动响应进行调节和抑制，从而提高船舶耐波性。对于军用舰艇可以提高出航率，进而增强战斗力；对于民用船舶，可以改善适航性，减小船舶在波浪中的失速，

3、提高营运效率。因此扑翼装置的研究与开发对于提高船舶性能意义重大，在现役舰艇性能改善以及高性能船舶研发上均有广泛的应用前景。随着船用翼水动力性能研究的发展，各类水翼在高性能船上的应用也越来越广泛。当这类船舶在波浪中运动时会产生纵摇和垂荡，而此时与船舶相连的水翼处于非定常运动状态，也具有类似于扑翼的运动形式，所以扑翼水动力性能的研究结果可以推广应用到这类非定常水翼的性能研究。所以可以利用扑翼产生的升力对船舶的纵摇、横摇、垂荡进行控制。本课题的重点在于对水翼在船舶运动过程中的水动力性能的研究。本文采用了理论计算和试验分析结合的方法，用数值方法模拟计算

4、水翼的水动力性能，目前比较成熟的方法是用势流面元法，在本论文的研究过程中，本文就采用基于格林定理的速度势面元法；另外本文对扑翼的试验装置进行了分析设计、仿真研究并进行了试验。21.2水翼的国内外发展概况多年来，国内外的有关学者们对于水翼的流体动力学原理进行了广泛的探索，提出了数学模型、相应的数值方法以及理论和实验结果，并且对水翼的应用进行了分析。水翼非定常运动可以得到推力，俄罗斯、日本、瑞典、挪威等国开展了水翼推进在水面运载工具中的应用[2]。俄罗斯、日本、美国等国开展了水翼推进在潜器上的研究。与此同时，水翼还可以通过产生的水动力改善船舶的运动

5、品质[3]。近年来越来越多的高性能船多采用水翼改善性能，如运动稳定性、耐波性、快速性等[4,5]。水翼推进和控制作用是一个综合技术，随着现代空气动力学、水动力学以及机器人仿真等综合理论和技术的发展，可以更进一步地推进水翼非定常运动原理和应用的研发。在过去的多年中，国内外普遍采用被动控制的方法来减小舰船在海浪作用下的运动[6,7]，如安装固定式减摇鳍、舭龙骨、减摇水箱等来减小舰船在海浪作用下的运动响应，该方面研究在理论和试验方面有着大量的成果。采用控制翼主动控制船舶姿态对改善船舶性能有明显作用，但是由于理论和技术的复杂性，在实际应用中还不多，公开

6、的相应的理论研究和试验研究成果还不多见。利用控制翼主动控制舰船运动无论从理论上还是实践上都是国内外舰船研究人员和海军非常感兴趣的，特别在提高现役舰艇性能，研发高性能船舶上更是如此。系统研究控制翼性能机理、相应的控制系统以及控制翼对船舶姿态控制的影响，是现代船舶工程中重要的研究内容和方向。其研究成果对于国防、航运有着重大的现实意义。在水翼水动力学理论方面，有建立在势流理论上的二维模型[8]，三维模型，如涡网格模型，面元法(表面偶极子、源分布)模型等[9,10]。有建立在粘性流理论上的二维模型，三维模型，直接求解N-S方程等。但是，从国内外的研究情

7、况来看，用得较多的理论方法仍旧是势流理论模型，这是由于水翼运动粘性流场分析的难度较大。这些理论模型多考虑把水翼运动置于无限流场的均匀来流之中。在该方面的研究中，主要研究水翼运动的推进作用。国内外有关学者也对水翼运动的试验进行了许多的研究，包括水翼尾流研究，水翼的推进研究，这些试验研究主要在水洞或风洞中完3成[11]。水翼一般都是靠近水面航行的，其水动力特性与无界流中的情况是不一样的，因此研究不同浸深、攻角和航速对贴近水面航行水翼性能的影响是至关重要的，文献[12]利用势流理论中的涡层分布面元法预报了自由面边界下二维水翼的绕流问题，给出了二维兴波

8、水翼水动力特性与Froude数、相对浸深与攻角的关系；文献[13]则利用边界层理论处理水翼绕流中的粘性部分，通过与外部势流解的迭加来获得粘流中二维兴波