仿生扑翼水下航行器推进特性及运动性能研究

发布时间：2017-09-09 03:34

  本文关键词：仿生扑翼水下航行器推进特性及运动性能研究

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【摘要】：无人水下航行器在海洋开发和科学考察中发挥着重要作用。海龟、企鹅等大型海洋生物独特的形体结构及运动方式,使其在低速运动状态下具有灵活性好、噪声低、能量利用率高等优点,深入研究此类海洋生物的肢体运动模式,探索水下扑翼推进机理,并将其应用到水下航行器中,对于丰富水下推进技术,提高低速下航行器的运动性能具有重要的意义。 目前,水下扑翼推进技术研究刚刚起步,推进机理尚不明晰,尤其是扑翼推进技术在水下航行器上的应用仍处于探索阶段,采用扑翼推进方式的水下航行器其运动性能及操纵机理需要进行深入的研究。本文采用数值模拟、理论计算以及实验研究相结合的方法,围绕扑翼推进力学机理、推进性能与扑翼结构参数及运动规律的关系、扑翼航行器流体动力特性、扑翼航行器操纵机理及运动性能等方面展开研究工作,主要研究内容及成果表现在以下几个方面： 1.水下仿生扑翼推进水动力性能数值模拟研究 (1)根据海龟前肢运动特性,建立了扑翼平面三自由度运动数学模型； (2)将滑移网格技术和动网格技术相结合,采用CFD方法对单自由度、二自由度、三自由度扑翼运动的二维非定常流场进行了数值模拟,阐释了扑翼推力产生机理； (3)针对单自由度扑翼运动方式研究了翼型厚度、翼型弯度、旋转轴位置、时间非对称运动方式对扑翼水动力性能的影响,给出了推进效果最优的翼型厚度及旋转轴位置,并分析了扑翼升力特性和推力特性随影响因素的变化规律； (4)针对三自由度扑翼运动方式研究了扑翼推力及推进效率与运动参数的关系,并对单自由度、二自由度和三自由度三种扑翼运动方式的推进效率进行了对比分析。 2.扑翼水下航行器外形设计及流体动力特性研究 (1)在分析海龟外部形态及肢体功能的基础上,设计了单自由度扑翼航行器的外形及布局； (2)基于滑移网格技术对单自由度扑翼推进器的水动力性能进行仿真计算,给出了最佳推进效率所对应的展弦比；通过全因子实验模拟,拟合了静水中扑翼推力与运动参数之间的函数关系,并对其进行了响应面分析；在此基础上,计算分析了扑翼推进性能与进速比及平衡偏角的关系； (3)将扑翼推进器和航行体作为一个整体考虑,研究了二者之间的非定常流体动力干扰,重点分析了来流速度以及扑翼推进器与航行体轴向间距对二者流体动力干扰的影响； (4)针对扑翼航行器扁平型主体在大攻角和大侧滑角下的流体动力特性进行了数值计算分析,给出了阻力、升力及力矩系数随攻角和侧滑角变化的水动力学表达式,并通过模拟悬臂水池实验计算了其旋转导数。 3.扑翼水下航行器动力学建模及运动性能仿真研究 (1)对扑翼水下航行器运动过程的受力情况进行分析,并通过理论推导建立扑翼推进器推力数学模型,在此基础上,基于Newton-Euler法建立了扑翼航行器空间六自由度运动数学模型； (2)基于Matlab-Simulink平台建立扑翼航行器的运动仿真系统,对扑翼航行器在纵平面和水平面内的运动性能进行了仿真研究,分析了扑翼航行器运动参数的变化特性,重点研究了推进器数量及推进器运动参数对航行器运动性能的影响。 4.扑翼推进水动力性能实验研究 (1)根据扑翼运动过程水动力交变和非定常的特点,搭建了测量扑翼水动力性能的实验平台； (2)针对NACA0012翼型做单自由度扑翼运动的水动力性能进行实验研究,明确了扑翼推力及推进效率与运动参数(频率和幅值)的关系； (3)针对7组翼板的水动力性能实验结果探讨了截面形状、弦长、展长的变化对扑翼水动力性能的影响; (4)选取特定工况将实验结果和CFD仿真结果进行对比,验证扑翼水动力性能仿真计算方法的正确性及结果的可信性。 5.扑翼水下航行器样机研制及实验 (1)研制了扑翼航行器实验样机,根据实验样机多运动执行单元协同运动的特点及空间多自由度运动的要求,设计了实验样机总体控制软硬件系统； (2)在敞水中对扑翼航行器实验样机进行了航行性能实验。通过实验结果重点分析：扑翼推进器频率和幅值对航行器直航速度和加速度的影响;三种差动转弯模式下航行器转向能力和转弯效率的优劣；控制扑翼推进器平衡偏角实现航行器升沉运动的可行性及不同平衡偏角下样机的下潜能力。选取特定工况,通过对比仿真计算结果与实验结果,验证了扑翼航行器动力学模型的正确性。
【关键词】：仿生 扑翼推进 水动力性能 扑翼航行器 动力学建模 运动性能
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U674.941
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 目录9-13
• 第一章 绪论13-33
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 国内外研究现状14-30
• 1.2.1 水下仿生推进方式分类14-16
• 1.2.2 仿鱼推进机理研究现状16-20
• 1.2.3 扑翼推进机理研究现状20-26
• 1.2.4 扑翼水下航行器研究现状26-30
• 1.3 主要研究内容与结构安排30-33
• 第二章 水下仿生扑翼推进水动力性能数值模拟研究33-61
• 2.1 扑翼运动数学模型及数值计算模型33-39
• 2.1.1 扑翼运动数学模型33-35
• 2.1.2 数值模拟计算方法35-39
• 2.1.3 算例验证39
• 2.2 扑翼运动过程产生的力及流场分析39-47
• 2.2.1 扑翼周期运动推力及升力变化39-41
• 2.2.2 扑翼运动流场分析41-47
• 2.3 结构参数及非对称运动方式对扑翼运动水动力性能的影响47-53
• 2.3.1 翼型厚度及弯度47-50
• 2.3.2 旋转轴位置50
• 2.3.3 非对称运动方式50-53
• 2.4 运动参数对扑翼水动力性能的影响53-56
• 2.4.1 频率的影响53-54
• 2.4.2 俯仰幅值的影响54
• 2.4.3 上下拍水幅度的影响54-55
• 2.4.4 前后划水幅度的影响55-56
• 2.5 扑翼运动推进效率研究56-60
• 2.5.1 频率与推进效率的关系56-57
• 2.5.2 俯仰幅值与推进效率的关系57
• 2.5.3 上下拍水幅度与推进效率的关系57-58
• 2.5.4 前后划水幅度与推进效率的关系58
• 2.5.5 三种扑翼运动方式推进效率的对比分析58-60
• 2.6 本章小结60-61
• 第三章 扑翼水下航行器外形设计及流体动力特性研究61-93
• 3.1 扑翼水下航行器外形设计与布局61-64
• 3.2 扑翼推进器流体动力特性分析64-78
• 3.2.1 展弦比的影响64-69
• 3.2.2 静水中扑翼推进器推力特性69-74
• 3.2.3 进速比的影响74-76
• 3.2.4 平衡偏角的影响76-78
• 3.3 扑翼推进器与航行体非定常干扰研究78-85
• 3.3.1 扑翼推进器与航行体之间相互作用分析78
• 3.3.2 计算方法及求解策略78-81
• 3.3.3 不同来流速度下的相互干扰81-84
• 3.3.4 推进器与航行体相对位置的影响84-85
• 3.4 航行体流体动力计算85-92
• 3.4.1 位置力及力矩计算86-88
• 3.4.2 阻尼力及力矩计算88-92
• 3.5 本章小结92-93
• 第四章 扑翼水下航行器动力学建模及运动性能仿真研究93-119
• 4.1 坐标系与运动学参数93-96
• 4.1.1 坐标系的定义93-94
• 4.1.2 运动状态参数定义94-95
• 4.1.3 坐标系之间的转换95-96
• 4.2 扑翼水下航行器空间运动数学模型96-106
• 4.2.1 运动学模型96-97
• 4.2.2 动力学模型97-98
• 4.2.3 扑翼水下航行器受力分析98-106
• 4.2.4 扑翼水下航行器空间六自由度运动方程106
• 4.3 扑翼水下航行器纵平面运动性能仿真分析106-114
• 4.3.1 推进器数量对运动性能的影响分析106-109
• 4.3.2 直航运动性能仿真109-111
• 4.3.3 升沉运动性能仿真111-114
• 4.4 扑翼水下航行器水平面回转运动性能仿真分析114-118
• 4.4.1 机动回转模式114-115
• 4.4.2 幅值差动回转性能仿真115-117
• 4.4.3 频率差动回转性能仿真117-118
• 4.5 本章小结118-119
• 第五章 扑翼推进水动力性能实验研究119-133
• 5.1 实验平台搭建119-124
• 5.1.1 实验要求119
• 5.1.2 实验设备及测量原理119-122
• 5.1.3 影响实验精度的因素122-124
• 5.2 实验结果处理及分析124-131
• 5.2.1 数据采集与处理124-125
• 5.2.2 运动参数对扑翼水动力性能的影响125-129
• 5.2.3 翼板形状及尺寸对扑翼水动力性能的影响129-131
• 5.3 实验与数值仿真结果对比分析131-132
• 5.4 本章小结132-133
• 第六章 扑翼水下航行器样机研制及实验133-151
• 6.1 扑翼水下航行器实验样机总体设计133-137
• 6.1.1 样机总体结构设计133-134
• 6.1.2 样机控制系统设计134-137
• 6.2 样机直航性能实验137-141
• 6.2.0 实验环境及数据处理方法137-138
• 6.2.1 变频率直航性能138-139
• 6.2.2 变幅值直航性能139-141
• 6.3 样机转弯性能实验141-147
• 6.3.1 快慢差动转弯142-145
• 6.3.2 动静差动转弯145
• 6.3.3 反向差动转弯145-146
• 6.3.4 三种转弯模式的对比146-147
• 6.4 样机升沉运动性能实验147-149
• 6.5 本章小结149-151
• 第七章 全文总结与展望151-155
• 7.1 论文工作总结151-153
• 7.2 未来工作展望153-155
• 参考文献155-169
• 致谢169-171
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况171-173

【参考文献】

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本文编号：818051