仿蝠鲼柔性潜水器翼型流场性能分析
发布时间：2021-08-04 15:19
因为蝠鲼在运动时具有低噪声,机动性能好等优点,以蝠鲼作为仿生对象,结合动态网格技术,通过对仿生蝠鲼的外形轮廓中某一截面进行流体动力分析,研究该截面轮廓在大变形情况下,不同频率、不同波长对周围流场特性的影响。仿真计算结果表明,在波长一定时,随着频率的升高,升力系数波动幅度变大,推力增大。在频率一定时,随着波长的增加,升力系数波动幅度变大,推力也增大。
【文章来源】：数字海洋与水下攻防. 2020,3(03)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
4时涡量云图随波长的变化情况Fig.14Variationofvorticitycloudpatternwithwavelengthatfrequency4
第3期邢城，等：仿蝠鲼柔性潜水器翼型流场性能分析·267·图5NACA0012的翼型曲线/mmFig.5AirfoilcurveofNACA0012/mm由于通过观察发现蝠鲼的翼在摆动时与三角函数的波形近似，因此在幅值函数基础上引入正弦函数参量。考虑到变形是在翼型的基础上进行的，因此确定最终的运动方程为203(,)0.5(0.226490.294460.32656)sin(2π2π)yxtyxxxxft（3）式中：y0为在初始状态时翼型的初始纵坐标值；为波长（1、1.2、1.4、1.6、1.8）；f为频率（1、1.5、2、2.5、3、3.5、4）；t为时间（0~15s）。根据得到的翼型波动方程，考虑到本文中翼型图6柔性翼振幅幅值曲线/mmFig.6Amplitudecurveofflexiblewing/mm的变形比较大，运动规律也较复杂，利用动网格技术，采用弹性光顺与局部重构相结合的方案实现计算区域网格的更新。如图7所示为一个周期内不同时刻翼型运动与网络更新情况。左侧边界条件设置为速度入口，速度大小为1m/s，方向沿x轴正方向。右侧边界条件设定为自由出口，上下边界设定为滑移壁面。设定翼型壁面为无滑移壁面。采用有限体积法的离散方式，基于压力的一阶瞬态求解器，标准k模型。设定时间步长为0.001s，待流场稳定后，对计算结果进行分析。图7一个周期内不同时刻翼型运动情况Fig.7Motionofairfoilwithdifferenttimeinonecycle2仿蝠鲼潜水器二维翼型流场性能计算结果分析如图8所示，柔性翼的运动在尾部产生了反卡门涡街。涡由柔性翼的前缘产生，随着柔性翼的运动沿着柔性翼表面向后移动，并最终随着柔性翼的周期性摆动从柔性翼的尾端脱落，涡脱离后的旋转方向与涡脱离柔性翼时翼梢的运动方向有关。
·268·数字海洋与水下攻防第3卷图8柔性翼尾部涡量图Fig.8Vorticitydiagramofflexiblewingtail2.1频率对流场特性的影响摆动频率是柔性翼运动时的一个关键参数，对运动过程中的流体动力特性的影响非常显著，取波长为1的情况为例，研究当摆动频率不同时，柔性翼的升力系数，阻力系数的变化规律。如图9所示，升力系数随着时间呈现周期性变化，变化周期与柔性翼运动的周期相同，通过对比不同频率的升力系数的变化范围可以发现，当波长一定时，摆动频率越大，柔性翼的升力系数幅值变化范围越大。升力系数的波形呈正弦形式，这是因为采用计算的翼型为NACA0012翼型，上下对称，在不考虑重力条件下，可以使得柔性翼在运动时的升力系数能够保证在一个稳定的区间内均匀波动。从图10可知阻力系数的变化也是具有周期性的，阻力系数的变化周期与柔性翼摆动的周期是对应的，当波长一定时，阻力系数的变化幅值随摆动频率的增大而增大。图中的阻力系数小于0，表明柔性翼在摆动时所受到的力是延x轴负方向，即推力。这是因为柔性翼在运动时产生了反卡门涡街，使得柔性翼后方的流场速度加快，为柔性翼提供了向前的推力。图9波长为1时，升力系数随频率的变化规律Fig.9Variationruleofliftcoefficientwithfrequencyat1wavelength图10波长为1时，阻力系数随频率的变化规律Fig.10Variationruleofresistancecoefficientwithfrequencyat1wavelength
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究[J]. 章永华,何建慧. 机械科学与技术. 2013(03)
[2]仿牛鼻鲼机器鱼胸鳍的时间非对称摆动研究[J]. 杨少波,韩小云,邱静,谢海斌. 中国机械工程. 2011(05)
[3]胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析[J]. 蔡月日,毕树生. 机器人技术与应用. 2010(06)
博士论文
[1]牛鼻鲼泳动动力学分析与仿生机器鱼研究[D]. 杨少波.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]基于浸入边界法的“C”型鱼自主游动的数值模拟[D]. 郝栋伟.昆明理工大学 2013
本文编号：3321935
【文章来源】：数字海洋与水下攻防. 2020,3(03)
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
4时涡量云图随波长的变化情况Fig.14Variationofvorticitycloudpatternwithwavelengthatfrequency4
第3期邢城，等：仿蝠鲼柔性潜水器翼型流场性能分析·267·图5NACA0012的翼型曲线/mmFig.5AirfoilcurveofNACA0012/mm由于通过观察发现蝠鲼的翼在摆动时与三角函数的波形近似，因此在幅值函数基础上引入正弦函数参量。考虑到变形是在翼型的基础上进行的，因此确定最终的运动方程为203(,)0.5(0.226490.294460.32656)sin(2π2π)yxtyxxxxft（3）式中：y0为在初始状态时翼型的初始纵坐标值；为波长（1、1.2、1.4、1.6、1.8）；f为频率（1、1.5、2、2.5、3、3.5、4）；t为时间（0~15s）。根据得到的翼型波动方程，考虑到本文中翼型图6柔性翼振幅幅值曲线/mmFig.6Amplitudecurveofflexiblewing/mm的变形比较大，运动规律也较复杂，利用动网格技术，采用弹性光顺与局部重构相结合的方案实现计算区域网格的更新。如图7所示为一个周期内不同时刻翼型运动与网络更新情况。左侧边界条件设置为速度入口，速度大小为1m/s，方向沿x轴正方向。右侧边界条件设定为自由出口，上下边界设定为滑移壁面。设定翼型壁面为无滑移壁面。采用有限体积法的离散方式，基于压力的一阶瞬态求解器，标准k模型。设定时间步长为0.001s，待流场稳定后，对计算结果进行分析。图7一个周期内不同时刻翼型运动情况Fig.7Motionofairfoilwithdifferenttimeinonecycle2仿蝠鲼潜水器二维翼型流场性能计算结果分析如图8所示，柔性翼的运动在尾部产生了反卡门涡街。涡由柔性翼的前缘产生，随着柔性翼的运动沿着柔性翼表面向后移动，并最终随着柔性翼的周期性摆动从柔性翼的尾端脱落，涡脱离后的旋转方向与涡脱离柔性翼时翼梢的运动方向有关。
·268·数字海洋与水下攻防第3卷图8柔性翼尾部涡量图Fig.8Vorticitydiagramofflexiblewingtail2.1频率对流场特性的影响摆动频率是柔性翼运动时的一个关键参数，对运动过程中的流体动力特性的影响非常显著，取波长为1的情况为例，研究当摆动频率不同时，柔性翼的升力系数，阻力系数的变化规律。如图9所示，升力系数随着时间呈现周期性变化，变化周期与柔性翼运动的周期相同，通过对比不同频率的升力系数的变化范围可以发现，当波长一定时，摆动频率越大，柔性翼的升力系数幅值变化范围越大。升力系数的波形呈正弦形式，这是因为采用计算的翼型为NACA0012翼型，上下对称，在不考虑重力条件下，可以使得柔性翼在运动时的升力系数能够保证在一个稳定的区间内均匀波动。从图10可知阻力系数的变化也是具有周期性的，阻力系数的变化周期与柔性翼摆动的周期是对应的，当波长一定时，阻力系数的变化幅值随摆动频率的增大而增大。图中的阻力系数小于0，表明柔性翼在摆动时所受到的力是延x轴负方向，即推力。这是因为柔性翼在运动时产生了反卡门涡街，使得柔性翼后方的流场速度加快，为柔性翼提供了向前的推力。图9波长为1时，升力系数随频率的变化规律Fig.9Variationruleofliftcoefficientwithfrequencyat1wavelength图10波长为1时，阻力系数随频率的变化规律Fig.10Variationruleofresistancecoefficientwithfrequencyat1wavelength
【参考文献】：
期刊论文
[1]仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究[J]. 章永华,何建慧. 机械科学与技术. 2013(03)
[2]仿牛鼻鲼机器鱼胸鳍的时间非对称摆动研究[J]. 杨少波,韩小云,邱静,谢海斌. 中国机械工程. 2011(05)
[3]胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析[J]. 蔡月日,毕树生. 机器人技术与应用. 2010(06)
博士论文
[1]牛鼻鲼泳动动力学分析与仿生机器鱼研究[D]. 杨少波.国防科学技术大学 2010
硕士论文
[1]基于浸入边界法的“C”型鱼自主游动的数值模拟[D]. 郝栋伟.昆明理工大学 2013
本文编号：3321935
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3321935.html
