仿生飞鱼滑翔性能的数值模拟研究

发布时间：2023-01-12 12:06

　　跨介质飞行器综合了飞机、水面舰和潜艇的优点,集高速、隐蔽和攻击性于一体,有着传统飞行器和水下航行器无法实现的多功能优势。由于空气和水的密度相差甚远,它们的流体动力学特性有很大区别。要设计一种在空气和水中都有优良性能的跨介质飞行器非常困难。飞鱼作为自然界真实存在的一种跨介质生物,能够轻松自如地实现在空气和水中的切换,有着优异的两栖特性,可作为我们设计跨介质飞行器的模仿对象。本文着重研究飞鱼的空中滑翔性能。通过模仿一种Cypselururs hirarii飞鱼的外形,建立飞鱼的三维模型,对飞鱼进行流体力学数值模拟与动力学仿真。数值模拟采用基于有限体积法的OpenFOAM开源平台,湍流计算采用DDES。数值模拟比较了三种不同飞鱼模型的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数等气动参数随迎角的变化规律,并与前人风洞实验的结果进行了对比,结果吻合良好,并与其他飞行类动物进行了对比,结果显示飞鱼的气动性能与鹰、海燕、木鸭等处于同一水平。具体的,我们对飞鱼的尾流拓扑结构进行了分析,发现在迎角较小时,流动很好地附着在胸鳍表面,升力系数随迎角线性增加,而当迎角增大到10°时,气流从胸鳍后缘分离,形成大尺度的涡结... 

【文章页数】：72 页

【学位级别】：硕士

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致谢
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 文献综述
    1.3 论文研究目标及主要内容
        1.3.1 研究目标
        1.3.2 主要内容
2 数值模型与计算方法
    2.1 流体力学数值模拟
        2.1.1 OpenFOAM平台简介
        2.1.2 湍流数值模拟
    2.2 飞行动力学仿真
        2.2.1 运动模型简化
        2.2.2 飞行器的常用坐标系
        2.2.3 运动方程描述
    2.3 本章小结
3 流体力学数值模拟
    3.1 飞鱼几何模型
    3.2 计算参数设置
    3.3 计算结果
        3.3.1 气动力和力矩
        3.3.2 流动结构
    3.4 本章小结
4 飞行轨迹模拟
    4.1 空气动力学参数
        4.1.1 前人风洞实验结果的拟合
        4.1.2 CFD数值模拟所得气动参数
    4.2 计算设置
    4.3 结果与讨论
        4.3.1 采用风洞实验数据求解的飞鱼空中飞行轨迹
        4.3.2 采用CFD数值模拟所得气动参数预测的飞鱼空中飞行轨迹
        4.3.3 采用不同来源气动参数求解的飞行轨迹的比较
    4.4 本章小结
5 总结与展望
    5.1 工作总结
    5.2 研究展望
参考文献
作者简历
发表文章目录


【参考文献】：
期刊论文
[1]水空两栖跨介质无人飞行器研究现状[J]. 杨兴帮,梁建宏,文力,王田苗.  机器人. 2018(01)
[2]无人机系统与人工智能[J]. 樊邦奎,张瑞雨.  武汉大学学报(信息科学版). 2017(11)
[3]国外跨介质飞行器发展历程及启示[J]. 何肇雄,郑震山,马东立,周峤.  舰船科学技术. 2016(09)
[4]航行器在空中飞行与水下潜航时的动力学特性[J]. 杨海燕,林书玉,吝科.  华南理工大学学报(自然科学版). 2015(11)
[5]基于仿生学原理的滑翔式水翼艇模型设计[J]. 常军然,谢崟,王凡.  机械研究与应用. 2013(04)
[6]海洋探测技术与装备发展探讨[J]. 朱心科,金翔龙,陶春辉,初凤友,赵建如,李一平.  机器人. 2013(03)
[7]跨介质飞行器弹道仿真分析[J]. 王伟,张宇文,朱灼.  计算机仿真. 2011(12)
[8]跨介质飞行器气/水两相弹道仿真研究[J]. 裴譞,张宇文,李闻白,邬明.  工程力学. 2010(08)
[9]自然界鱼类游动的力学现象与丰富多彩的仿生鱼设计[J]. 徐新生,孙发明.  力学与实践. 2009(03)
[10]美国DARPA提出的“潜水飞机”概念[J]. 陈建峰,杨龙塾.  现代舰船. 2009(03)

硕士论文
[1]潜水飞机总体设计与气动外形结构设计分析[D]. 刘伟.南昌航空大学 2012



本文编号：3729903