柔性翼仿生推进特性数值模拟
发布时间：2021-10-12 16:55
本文主要采用动网格技术对柔性翼仿生推进特性进行数值模拟研究,系统分析运动幅值、运动频率以及来流速度对柔性翼推进特性的影响,确立最佳斯特哈尔数。对不同斯特哈尔数下柔性方的涡流场结构进行分析,从流动机理角度对研究结果进行了解释。
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
计算模型示意图Fig.1Diagramofcomputationmodel
常数。本文的柔性翼行波推进运动属于典型的动边界问题，变形翼摆动推进过程中，翼型本身时刻都在做扭曲变形运动，壁面附近计算网格的位置和形状也必须时刻进行相应的调整，因此需要用到Fluent中的动网格技术来捕捉变形翼的运动边界。根据前期工作经验，本文选取动网格技术中的网格重构技术对动边界进行捕捉，具体动网格技术见参考文献[10–11]。2计算模型、网格及数值方法验证2.1计算模型计算对象为二维的NACA0012翼型，具体如图1所示。图1计算模型示意图Fig.1Diagramofcomputationmodel可变形翼舵中弧线长c=0.2m,后缘变形起始位置xs，以翼型尾部任意一点a（初始横纵坐标分别为x0和y0，其中x0>xs）为例，翼型变形运动方程如下式：x=x0,y=y0+A·sin(2πft)=y0+(cx0)·tan(θ)·sin(2πft)。(3)其中f为运动频率，A为运动幅值。一个运动周期内变形翼的运动过程如图2所示。其中T为运动周期，其与频率f的关系为T=1/f。图2一个周期内可变形翼运动示意图Fig.2Motiondiagramofdeformablewinginonecycle2.2网格划分与边界条件本文选取计算域大小如图3所示。翼型前缘向前3c，设定来流速度的大小与方向；翼型向后6c，设定相对于参考压力点的流体静压值；翼型外表面，设定无滑移条件，同时加载UDF使其按照给定运动方程变形运动；上下边界距离计算模型表面约4c，边界条件亦设为速度入口条件，以模拟无界流常本文计算中使用的网格为结构化网格。网格划分基本原则为在模型表面附近网格加密，其中第一层网格间距根据y+确定（y+平均值约为1左右）。全局网格大约45万，网格无关性验证工作见参考本文献[10]。2.3数值方法验证开展数值方法精度验证工作，计算模型与参考文献[12]一致，即二维NACA0012翼型。该翼型做拍动运动，相?
始位置s=0.4c,来流速度V=1m/s,运动周期T=0.5s，运动幅值A=0.021（对应的θ值为10°）为例分别选取时间步长Δt=0.0001s,0.001s和0.005s进行计算验证。计算得到的变形翼阻力系数随时间变化曲线如图5所示。图5时间步长验证结果Fig.5Validationresultsoftimestep其中，CD表示阻力系数，其表达式如下式：CD=D1/2·ρ·V2·c2。(4)其中：D表示变形翼所受到的阻力值，ρ为水的密度，值为998.2kg/m3。从图5可以看出，当时间步长减小至0.001s后，计算得到的变形翼阻力系数与时间步长为0.0001s下计算得到的阻力系数变化曲线近乎吻合。因此在后续计算中时间步长Δt设为0.001s。3计算结果及分析3.1柔性变形翼推进特性分析对不同来流速度、运动频率和运动幅值下的变形翼推进特性进行数值模拟，共有45个不同组合的工况。具体工况为：来流速度设为V=0.1m/s,0.5m/s和1.0m/s运动幅值设为A=0.021m，0.043m和0.069m（对应的θ值分别为10°，20°和30°），运动频率f的变化范围随来流速度不同而相应变化。具体表现为：V=0.1m/s时，f取值分别为0.4,0.5,0.6,1.0和2.0Hz；V=0.5m/s时，f取值分别为1.0,1.5,2.0,2.5和3.0Hz；V=1.0m/s时，f取值分别为2.5,3.0,3.5,4.0和4.5Hz。其原因在于，通过查阅文献[1,4]可知，来流速度越大，克服流体阻力做功所需的运动频率亦越大。因此为了达到研究运动参数对变形翼推进性能的影响同时又兼顾计算效率，本文在低来流速度时，选取较低的运动频率与之匹配，反之亦然。在进行计算结果分析前，首先对变形翼推力系数和推进效率进行定义。变形翼推进效率实质上为输出功率与输入功率的比值，输出功率可以表征为平均推力与来流速度的乘积，输入功率则可以表示为翼型表面速度压力乘积沿着翼型边界的积分，具体如下?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical studies of the hysteresis in locomotion of a passively pitching foil[J]. 邵雪明,张晓龙,余钊圣. Journal of Hydrodynamics. 2016(03)
[2]二维摆动水翼仿生推进水动力性能研究[J]. 张晓庆,王志东,张振山. 水动力学研究与进展（A辑）. 2006(05)
本文编号：3432961
【文章来源】：舰船科学技术. 2020,42(17)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
计算模型示意图Fig.1Diagramofcomputationmodel
常数。本文的柔性翼行波推进运动属于典型的动边界问题，变形翼摆动推进过程中，翼型本身时刻都在做扭曲变形运动，壁面附近计算网格的位置和形状也必须时刻进行相应的调整，因此需要用到Fluent中的动网格技术来捕捉变形翼的运动边界。根据前期工作经验，本文选取动网格技术中的网格重构技术对动边界进行捕捉，具体动网格技术见参考文献[10–11]。2计算模型、网格及数值方法验证2.1计算模型计算对象为二维的NACA0012翼型，具体如图1所示。图1计算模型示意图Fig.1Diagramofcomputationmodel可变形翼舵中弧线长c=0.2m,后缘变形起始位置xs，以翼型尾部任意一点a（初始横纵坐标分别为x0和y0，其中x0>xs）为例，翼型变形运动方程如下式：x=x0,y=y0+A·sin(2πft)=y0+(cx0)·tan(θ)·sin(2πft)。(3)其中f为运动频率，A为运动幅值。一个运动周期内变形翼的运动过程如图2所示。其中T为运动周期，其与频率f的关系为T=1/f。图2一个周期内可变形翼运动示意图Fig.2Motiondiagramofdeformablewinginonecycle2.2网格划分与边界条件本文选取计算域大小如图3所示。翼型前缘向前3c，设定来流速度的大小与方向；翼型向后6c，设定相对于参考压力点的流体静压值；翼型外表面，设定无滑移条件，同时加载UDF使其按照给定运动方程变形运动；上下边界距离计算模型表面约4c，边界条件亦设为速度入口条件，以模拟无界流常本文计算中使用的网格为结构化网格。网格划分基本原则为在模型表面附近网格加密，其中第一层网格间距根据y+确定（y+平均值约为1左右）。全局网格大约45万，网格无关性验证工作见参考本文献[10]。2.3数值方法验证开展数值方法精度验证工作，计算模型与参考文献[12]一致，即二维NACA0012翼型。该翼型做拍动运动，相?
始位置s=0.4c,来流速度V=1m/s,运动周期T=0.5s，运动幅值A=0.021（对应的θ值为10°）为例分别选取时间步长Δt=0.0001s,0.001s和0.005s进行计算验证。计算得到的变形翼阻力系数随时间变化曲线如图5所示。图5时间步长验证结果Fig.5Validationresultsoftimestep其中，CD表示阻力系数，其表达式如下式：CD=D1/2·ρ·V2·c2。(4)其中：D表示变形翼所受到的阻力值，ρ为水的密度，值为998.2kg/m3。从图5可以看出，当时间步长减小至0.001s后，计算得到的变形翼阻力系数与时间步长为0.0001s下计算得到的阻力系数变化曲线近乎吻合。因此在后续计算中时间步长Δt设为0.001s。3计算结果及分析3.1柔性变形翼推进特性分析对不同来流速度、运动频率和运动幅值下的变形翼推进特性进行数值模拟，共有45个不同组合的工况。具体工况为：来流速度设为V=0.1m/s,0.5m/s和1.0m/s运动幅值设为A=0.021m，0.043m和0.069m（对应的θ值分别为10°，20°和30°），运动频率f的变化范围随来流速度不同而相应变化。具体表现为：V=0.1m/s时，f取值分别为0.4,0.5,0.6,1.0和2.0Hz；V=0.5m/s时，f取值分别为1.0,1.5,2.0,2.5和3.0Hz；V=1.0m/s时，f取值分别为2.5,3.0,3.5,4.0和4.5Hz。其原因在于，通过查阅文献[1,4]可知，来流速度越大，克服流体阻力做功所需的运动频率亦越大。因此为了达到研究运动参数对变形翼推进性能的影响同时又兼顾计算效率，本文在低来流速度时，选取较低的运动频率与之匹配，反之亦然。在进行计算结果分析前，首先对变形翼推力系数和推进效率进行定义。变形翼推进效率实质上为输出功率与输入功率的比值，输出功率可以表征为平均推力与来流速度的乘积，输入功率则可以表示为翼型表面速度压力乘积沿着翼型边界的积分，具体如下?
【参考文献】：
期刊论文
[1]Numerical studies of the hysteresis in locomotion of a passively pitching foil[J]. 邵雪明,张晓龙,余钊圣. Journal of Hydrodynamics. 2016(03)
[2]二维摆动水翼仿生推进水动力性能研究[J]. 张晓庆,王志东,张振山. 水动力学研究与进展（A辑）. 2006(05)
本文编号：3432961
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3432961.html
