基于CFD软件的两栖车辆仿生推进装置翼盘仿真模拟.pdf

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1、·现代设计与先进制造技术张晓涛郭劭琰宋彬等基于CFD软件的两栖车辆仿⋯⋯33基于CFD软件的两栖车辆仿生推进装置翼盘仿真模拟张晓涛，郭劭琰，宋彬，腾飞，吕建刚(军械工程学院火炮工程系，河北石家庄050003)摘要：采用RNGk一￡湍流模型与SIMPLE算法，应用CFD软件对两栖车辆仿生推进装置的翼盘在不同速度工况下进行数值模拟。通过分析不同速度工况下翼盘所能产生的推力和翼盘外流场的分布情况，直观揭示了2种翼盘的运动情况，为两栖车辆仿生推进装置的研制提供了一定的参考依据。关键词：计算机仿真；两栖车辆；仿生推进；计算流体力学中图分类号：THI36文献标识码：A文章编号：1672—1616(2

2、011)09—0033—04鱼类等水生生物经过亿万年的进化，获得了非复运动，带动仿生翼盘进行前后往复的直线运动，凡的水中游动能力，其推进方式以及效率都已经达实现仿生推进的运动形式，通过水对翼盘的粘滞阻到了几乎完美的地步，研究表明处于食物链顶端的碍作用，交替产生前进推力。仿生推进装置中，各海洋生物巡游时的流体推进效率可高达80％以部件参数的确定及匹配都将对该装置的推进能力上⋯1。目前国内外学者关于仿生推进所做的各方产生影响，尤其是翼盘的参数直接影响到推力的产面研究取得了诸多成果。卡内基梅隆大学的生以及推进效率的高低，因而有必要对翼盘的参数MetinSitt在美国麻省理工学院(MIT)科学家

3、的协进行细致的研究。助下，于2004年研制出首个具备水面行走能力的微型机器人_2j，可实现前后运动及转弯，向前移动最大速度为2．3cm／s。日本神户大学研制的模仿一Weis—Fogh机构的双体船模型，作为一种水下推进装置，有比较高的推进效率。图1大行程直线往复运动机构本文依据仿生原理，提出一种仿水母的两栖车辆水上仿生推进装置，通过计算流体力学(CF1))软2CFD基本控制方程件，对两栖车辆仿生推进装置翼盘的性能进行研2．1连续性方程与运动方程究，以优化推进翼盘参数，提高其推力及效率。翼盘外流场模拟属于求解湍流流动问题，控制方程为连续性方程和Navier—Stokes方程。1两栖车辆仿生推

4、进装置简介连续性方程依据质量守恒定律，表征控制体流现代两栖车辆的推进方式主要有4种：履带推入质量与流出质量之差应等于控制体内部流体质进装置、轮胎划水装置、螺旋桨推进装置、喷水推进量的增加，其积分形式为[]：装置[3l。目前在两栖车辆上应用较多的是螺旋桨n．rrr推进装置和喷水推进装置，其中喷水推进装置的效著⋯⋯pdmdydz+‘ndA=0(1)率可达到50％～63％J。式中：表示控制体；A表示控制面；等式左边表本文所提出的两栖车辆仿生推进装置的基本rr示控制体V内部质量的增量；·dA表示原理如图1所示，依靠大行程的直线往复运动机构，将发动机输出的旋转运动转化为大行程直线往经控制体表面流人

5、控制体的净通量。收稿日期：2010～1208作者简介：张晓涛(1987)，男，陕西渭南人，军械工程学院硕士研究生，主要从事车辆工程研究。2011年5月中国制造业信息化第40卷第9期对于不司压缩均质流体，密度为常数，连续性方程则表示为：0+’3+’0=0(＼2)，运动方程依据动量守恒定律，表征给定的流体系统，其动量的时间变化率等于作用于其上的外力总和，也称为Navier—Stokes方程，其微分形式为：(a)直页式(b)折页式fP=+等++孥图2翼盘形状{to=++孥+(3)者分别采用结构化网格和非结构化网格[，如图3所示，网格数量直页式为37232，折页式为25629。【Pdw=以+++

6、孥最终应用Fluent软件在lm／s，2m／s，3m／s，4m／s，式中：，，F62分别为单位质量流体上的质量5m／s，6m／s，7m／s共7种工况下进行数值模拟计力在3个坐标轴方向上的分量；为流体内应力算。张量的分量。2．2RNGk—e湍流模型对雷诺应力的不同处理方法，就形成了不同的湍流模型。RNGk-e湍流模型又称重整化群k一￡湍流模型，是对瞬时Navier—Stokes方程用重整化群的数学方法推导出来的模型。对于RNGk-s湍流模型[5]有：(a)直页式(b)折页式dkl0一—d—t：『l．(akZ~)]J+Gk+十c．-o—一一—YM(4)，图3网格划分、3．2流场数值解法P—d

7、—t=【。ePeW)差万]j+C1e(G一k十+cL3eGb、)。—对流场进行数值求解，其实质就是对离散后的C2tp一R(5)控制方程组的求解，Fluent提供了多种不同的解法用于选取，本文采用的是SIMPLE算法，其全称为式中：Gk为由于平均速度梯度引起的湍动能的产“Semi—ImplicitMethodforPressure—LinkedE—生项；Gh为由于浮力影响引起的湍动能的产生项；quations”。该算法使用压力和速度之