基于不同材料的仿生凹凸结构水动力特性研究

发布时间：2020-04-27 23:16

【摘要】：柱体和翼型作为船舶、航空和建筑等领域中非常重要的基础结构,有着非常广泛的工程应用前景。研究柱体和翼型的水动力性能可以为其结构的优化设计提供更加直接的参考依据,这也是国内外研究学者的工作热点。在自然界的动植物中,柱状仙人掌和座头鲸的胸鳍都是具有仿生凹凸形式的柔性结构,分别对应柱体与翼型两大基础结构,本文将仿生学原理以及柔性材料应用于水动力学方向上的研究中,借鉴柱状仙人掌和座头鲸胸鳍的形状,并考虑柔性材料对其的影响,进行了数值模拟与实验研究,为工程领域中柱体和翼型的研究设计提供了一条比较新颖的路线。国内外研究学者对于刚性的仿生凹凸结构以及二维的柔性结构开展过一些研究,然而很少将仿生凹凸形式与柔性材料相结合,开展系统地研究。在仿生柱体结构方面,本文根据柱状仙人掌的形态特征,建立了三维模型及其流固控制域等,对不同雷诺数条件下的刚性与柔性的仿柱状仙人掌结构绕流进行了数值模拟分析,得到其升阻力及流场特性,对比发现:柱体绕流形成了湍流涡街,产生了涡激振动,且具有明显的三维特性,于大多数工况下,不规则的截面形状与柔性材料对于柱体绕流具有一定的影响。针对仿柱状仙人掌结构的数值计算结果,本文采用3D打印的方式制作仿柱状仙人掌结构模型,在循环水槽中对其开展实验研究,结果表示:相对于圆柱来说,横截面形状不规则的仿柱状仙人掌结构普遍具有减阻减振的效果,而柔性材料的效果一般。在仿生翼型结构方面,本文通过观察座头鲸胸鳍的轮廓外形,设计了三维几何模型,并设置了相关变量,计算得到了不同攻角条件下刚性与柔性的仿座头鲸鳍结构的升阻力和流场特性,分析结果表明:柔性材料对于本文研究的鳍结构的影响显著。
【图文】：

机体长的二十倍附近。科学家们对这个海中巨型生物的高效回转性能十分震惊，并展开逡逑了一系列深入的探索研究工作。他们发现座头鲸的这种特殊属性是由于其具有前缘凹凸逡逑结节形式的鳍状肢，如图１．２所示，该鳍状肢产生的升力为座头鲸供给了非常大的回转逡逑动力［Ｍ】。逡逑图１．２座头鲸的凹凸鳍状肢逡逑尤其需要注意的是，座头鲸的凹凸鳍状肢本身的材质并非是刚性体，而是一种可弹逡逑性变形的材料，将柔性复合材料考虑到仿座头鲸鳍结构的研究中，突破了传统仿座头鲸逡逑鳍刚性结构研究的瓶颈，具有十分可观的前瞻性与创新性，能够在船舵、螺旋桨、机翼逡逑和风机扇叶等处发挥其应用价值。所以，考察仿座头鲸鳍柔性结构的形变特点与流场特逡逑性，既有非常必要的科学研究价值，，又有显著的社会经济效益。逡逑１．３国内外研究现状逡逑１．３．１仿生柱体结构研究现状逡逑考虑到柱体绕流在学术价值及实践应用中的重要作用，海内外众多科研人员对柱体逡逑绕流进行了多方面的考察，目前的科研成果通常是把普通的圆柱当作考察的对象，很少逡逑对仿柱状仙人掌结构的柱体绕流进行过系统地研究。逡逑２００１年

Ｌ／Ｄ－邋０．０３５逦Ｌ／Ｄ＾逦０．１０５逡逑图１．３１３０００时的流场烟流图逡逑２００８年，ＰｒａｄｅｅｐＢａｂｕ等在雷诺数为２０、１００和３００的条件下，进行了仿柱状仙人逡逑掌结构的柱体绕流的直接数值模拟研宄，并和普通圆柱结果展开了对比分析。其研宄成逡逑果表明．？在仿柱状仙人掌结构的柱体的沟槽内会形成漩涡，从而削弱了壁面应力，如图逡逑１．４所示。仿柱状仙人掌结构的柱体的阻力可比普通圆柱的小３９％，且斯特劳哈尔数也逡逑下降了约１０％［６］。逡逑，惑ｍ象禁逡逑０逦０邋０５逦０邋１逦０邋１５逡逑．ｒ／Ｄ逡逑图１．４处＝２０时凹槽内流动矢量图逡逑２００９年，何鸿涛计算剖析了圆柱绕流及其控制方式，研讨了／？ｅ邋＝邋１００、３９００和８．２７逡逑Ｘ１０６三个雷诺兹数状态下的二维圆柱绕流情况，数值模拟了绕流流场。对于三个雷诺逡逑兹数情况下的圆柱绕流分别使用分流平板、肩部吸气和尾部吹气三种控制方式
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661.3;P75

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本文编号：2642763