三维被动摆动水翼对波浪滑翔机推进动力的性能研究
发布时间：2022-01-27 06:48
针对水翼在波浪滑翔机运动中对本体产生的推进动力的预报问题,利用CFD分析软件Star-CCM+中的平面运动机构（PMM）模块,对水翼翼板在波浪滑翔机主体随浪升沉过程中产生的升沉和绕自身旋转轴被动摆动的耦合运动过程进行三维模拟。通过对运动过程中水翼产生的推进动力进行分析,探究水翼的波浪参数（波高、周期）和结构参数（展弦比）等对水翼推进性能的影响。研究发现,在相同波高下,水翼摆动角速度与波浪周期成反比;水翼的前向平均推力系数与周期的平方成反比、与波高值近似成二次项比例关系;展弦比增加可以增大翼板的平均推力系数,但增加幅度不大。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
波高0.8m时不同波浪周期下水翼摆角随时间变化图
性能的影响，为水翼翼板的设计以及波浪滑翔机在不同海况下的航行性能预报提供参考。1计算模型波浪滑翔机利用其上浮体带动水下滑翔体进行升沉运动，而水翼在垂直方向上的振荡运动和流体的共同作用下，产生绕自身轴的被动摆动，进而在水平方向上产生前向推力，带动波浪滑翔机前进[14]。波浪滑翔机水翼机构的运动，可以简化为垂直面内升沉振荡和绕自身轴自由摆动的耦合运动。本文利用PMM模块施加三维水翼模型一个垂向的主动振荡运动，并赋予其绕自身旋转轴被动旋转的自由度。波浪滑翔机水翼模型如图1所示，水翼截面采用常用的NACA0012翼型[15]。波浪滑翔机随海面波浪的升沉运动近似为垂向正弦振荡运动，其振幅和周期与海浪参数基本相同，如式(1)所示2AsintT(1)式中，为翼板垂向运动振幅；A为波高；T为波浪周期。图1水翼及其运动模型波浪滑翔机水翼产生的前向推力采用单位面积下前向推力系数TC来表示T0.5xTCbl(2)式中，TC为单位面积下前向推力系数；xT为瞬时前向推力；为流体密度；b翼板弦长；l翼板展长。波浪滑翔机特殊的运动方式导致了水翼翼板上产生的前向推力系数是随着时间不断变化的。为了便于比较，将一个周期内水翼产生的前向推力系数值对时间进行积分再除以作用时间，得到水翼前向的平均推力系数值。TavT01dTCCtT(3)式中，TavC代表水翼产生的平均推力系数，平均推力系数越大，水翼前向推力性能越好。图2网格离散采用重叠网格法模拟水翼的运动，其CFD分析模型的网格离散方式如图2所示，其中深色网格部分为背景网格区域，浅色网格为重叠?
参数对推力性能的影响进行探究。2.1波浪周期对水翼前向推力性能的影响根据某海域波浪统计资料，周期为3～7s的海况出现的频率相对较高。为了探究不同海浪周期下波浪滑翔机水翼的前向推力性能，分别选取波浪的周期参数为3s、4s、5s、6s、7s和8s进行模拟计算及分析。同时考虑到统计资料和计算量限制，波浪的波高参数设为固定值，水翼翼板摆动限位角设为25°，水翼翼板主尺度参数展弦比为定值。模拟中，滑翔机水翼运动的垂向振荡幅值和水翼自由摆动的转角随时间的变化情况如图3所示。从中可以看出，当水翼垂向运动方向改变时，翼板迅速向另一侧摆动，在极短的时间内达到最大限位角附近。之后在阻尼力矩的作用下产生振荡并最终趋于稳定摆角。同时，可以看出在水翼垂向振荡运动过程中，水翼摆角值大多数时间内处于最大限位角值附近。图3水翼垂向振幅及摆角随时间变化关系图4给出水翼翼板从波峰位置开始向下运动，运动至波谷再回到波峰的运动轨迹，及波浪周期内的尾涡压力变化云图。从图4中可以看出，当水翼从波峰往波谷运动过程中，翼板下表面为高压区，而翼板上表面为负压区，并且不断有涡在前缘上部生成、后移、脱落和耗散现象。当水翼运动到波谷附近时，速度降低，翼板下表高压区逐渐消失，并出现在上表面。当水翼由波谷向波峰运动时，翼板向下摆动，翼板上表面处于高压区，下表面处于低压区，并且下表面存在涡的生成与脱落。在一个波浪周期内，翼板表面高压区始终位于水翼的后侧，而低压区始终位于其前侧，进而可以保证水翼产生的水平方向的流体力始终向前。图4单周期内水翼周围压力变化图图5给出了波高为0.8m情况下，在单个垂荡运动周期内，不同
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人帆船研究现状与展望[J]. 俞建成,孙朝阳,张艾群. 机械工程学报. 2018(24)
[2]三维摆动水翼仿生推进水动力分析[J]. 胡健,赵旺,王子斌. 应用科技. 2019(02)
[3]NACA 0012摆动水翼水动力特性的二维数值模拟[J]. 吕元博,田新亮,李欣,宋春辉. 中国舰船研究. 2018(02)
[4]波浪滑翔器纵向速度与波浪参数定量分析[J]. 桑宏强,李灿,孙秀军. 水下无人系统学报. 2018(01)
[5]波浪滑翔器技术的回顾与展望[J]. 廖煜雷,李晔,刘涛,李一鸣,王磊峰,姜权权. 哈尔滨工程大学学报. 2016(09)
[6]面向海洋观测的长续航力移动自主观测平台发展现状与展望[J]. 陈质二,俞建成,张艾群. 海洋技术学报. 2016(01)
[7]波浪驱动无人水面机器人运动效率分析[J]. 田宝强,俞建成,张艾群,金文明,赵文涛,陈质二. 机器人. 2014(01)
[8]下一代海洋机器人写在人类创造下潜深度世界记录10912米50周年之际[J]. 封锡盛,李一平,徐红丽. 机器人. 2011(01)
本文编号：3611983
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(08)北大核心EICSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
波高0.8m时不同波浪周期下水翼摆角随时间变化图
性能的影响，为水翼翼板的设计以及波浪滑翔机在不同海况下的航行性能预报提供参考。1计算模型波浪滑翔机利用其上浮体带动水下滑翔体进行升沉运动，而水翼在垂直方向上的振荡运动和流体的共同作用下，产生绕自身轴的被动摆动，进而在水平方向上产生前向推力，带动波浪滑翔机前进[14]。波浪滑翔机水翼机构的运动，可以简化为垂直面内升沉振荡和绕自身轴自由摆动的耦合运动。本文利用PMM模块施加三维水翼模型一个垂向的主动振荡运动，并赋予其绕自身旋转轴被动旋转的自由度。波浪滑翔机水翼模型如图1所示，水翼截面采用常用的NACA0012翼型[15]。波浪滑翔机随海面波浪的升沉运动近似为垂向正弦振荡运动，其振幅和周期与海浪参数基本相同，如式(1)所示2AsintT(1)式中，为翼板垂向运动振幅；A为波高；T为波浪周期。图1水翼及其运动模型波浪滑翔机水翼产生的前向推力采用单位面积下前向推力系数TC来表示T0.5xTCbl(2)式中，TC为单位面积下前向推力系数；xT为瞬时前向推力；为流体密度；b翼板弦长；l翼板展长。波浪滑翔机特殊的运动方式导致了水翼翼板上产生的前向推力系数是随着时间不断变化的。为了便于比较，将一个周期内水翼产生的前向推力系数值对时间进行积分再除以作用时间，得到水翼前向的平均推力系数值。TavT01dTCCtT(3)式中，TavC代表水翼产生的平均推力系数，平均推力系数越大，水翼前向推力性能越好。图2网格离散采用重叠网格法模拟水翼的运动，其CFD分析模型的网格离散方式如图2所示，其中深色网格部分为背景网格区域，浅色网格为重叠?
参数对推力性能的影响进行探究。2.1波浪周期对水翼前向推力性能的影响根据某海域波浪统计资料，周期为3～7s的海况出现的频率相对较高。为了探究不同海浪周期下波浪滑翔机水翼的前向推力性能，分别选取波浪的周期参数为3s、4s、5s、6s、7s和8s进行模拟计算及分析。同时考虑到统计资料和计算量限制，波浪的波高参数设为固定值，水翼翼板摆动限位角设为25°，水翼翼板主尺度参数展弦比为定值。模拟中，滑翔机水翼运动的垂向振荡幅值和水翼自由摆动的转角随时间的变化情况如图3所示。从中可以看出，当水翼垂向运动方向改变时，翼板迅速向另一侧摆动，在极短的时间内达到最大限位角附近。之后在阻尼力矩的作用下产生振荡并最终趋于稳定摆角。同时，可以看出在水翼垂向振荡运动过程中，水翼摆角值大多数时间内处于最大限位角值附近。图3水翼垂向振幅及摆角随时间变化关系图4给出水翼翼板从波峰位置开始向下运动，运动至波谷再回到波峰的运动轨迹，及波浪周期内的尾涡压力变化云图。从图4中可以看出，当水翼从波峰往波谷运动过程中，翼板下表面为高压区，而翼板上表面为负压区，并且不断有涡在前缘上部生成、后移、脱落和耗散现象。当水翼运动到波谷附近时，速度降低，翼板下表高压区逐渐消失，并出现在上表面。当水翼由波谷向波峰运动时，翼板向下摆动，翼板上表面处于高压区，下表面处于低压区，并且下表面存在涡的生成与脱落。在一个波浪周期内，翼板表面高压区始终位于水翼的后侧，而低压区始终位于其前侧，进而可以保证水翼产生的水平方向的流体力始终向前。图4单周期内水翼周围压力变化图图5给出了波高为0.8m情况下，在单个垂荡运动周期内，不同
【参考文献】：
期刊论文
[1]无人帆船研究现状与展望[J]. 俞建成,孙朝阳,张艾群. 机械工程学报. 2018(24)
[2]三维摆动水翼仿生推进水动力分析[J]. 胡健,赵旺,王子斌. 应用科技. 2019(02)
[3]NACA 0012摆动水翼水动力特性的二维数值模拟[J]. 吕元博,田新亮,李欣,宋春辉. 中国舰船研究. 2018(02)
[4]波浪滑翔器纵向速度与波浪参数定量分析[J]. 桑宏强,李灿,孙秀军. 水下无人系统学报. 2018(01)
[5]波浪滑翔器技术的回顾与展望[J]. 廖煜雷,李晔,刘涛,李一鸣,王磊峰,姜权权. 哈尔滨工程大学学报. 2016(09)
[6]面向海洋观测的长续航力移动自主观测平台发展现状与展望[J]. 陈质二,俞建成,张艾群. 海洋技术学报. 2016(01)
[7]波浪驱动无人水面机器人运动效率分析[J]. 田宝强,俞建成,张艾群,金文明,赵文涛,陈质二. 机器人. 2014(01)
[8]下一代海洋机器人写在人类创造下潜深度世界记录10912米50周年之际[J]. 封锡盛,李一平,徐红丽. 机器人. 2011(01)
本文编号：3611983
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