基于鲟鱼的仿生翼型设计及其性能研究

发布时间：2020-04-02 06:40

【摘要】：水力机械叶片的翼型大多是采用NACA系列的翼型,但NACA系列翼型的设计是基于气体环境,若将其应用在水力机械上,这会在一定程度上影响其性能,研究发现鲟鱼的外形曲线具有较好的减阻效果。因此,本文以鲟鱼为研究对象,采用高精度的三维逆向扫描技术提取鲟鱼的几何特征,根据鲟鱼的外形曲线建立无量纲化的点坐标系,通过最小二乘法将多次扫描数据进行拟合,构建基于鲟鱼的仿生翼型,采用数值模拟的方法对鲟鱼仿生翼型的升阻特性,翼尖涡流,压力分布进行了分析。同时借助大涡模拟(LES)对翼型前缘骨线进了优化设计,在此基础上,借助高速摄像技术对优化后的仿生翼型在不同攻角下的空化特性及单个周期内的空化发展过程进行了实验研究。本文主要结论如下:(1)在达到失速攻角之前,鲟鱼仿生翼型的升力系数大于NACA0012和NACA0015翼型;相同雷诺数下,鲟鱼仿生翼型的失速攻角与NACA0012翼型相近,小于NACA0015翼型;NACA0012和NACA0015翼型比鲟鱼翼型更易产生和扩散翼尖涡流。(2)优化后的翼型升力系数与阻力系数变化的幅度非常小,然而相比于NACA0012和NACA0015翼型仍具有较好的升阻特性,且优化后的翼型在一定程度上能减缓翼型前缘的空化。(3)实验中,优化后的翼型的临界空化角在10°与12°之间,随着攻角的增大,前缘的空化区域逐渐增大,翼型的最大厚度处至后缘之间也更易发生云空化。上述研究方法与结果能为基于鲟鱼的仿生翼型设计与优化等方面的研究提供借鉴。
【图文】：

鲸鱼,胸鳍

为基于水动力学为基础的仿生翼型设计提供参考。1.1.1 课题研究背景生物经过数万年的优胜劣汰的自然选择，进化出了与生存的自然环境相契合的独特的功能特征，经过大自然的筛选而生存下来的生物特征，正是人类应用在科学技术上的灵感来源。人类向大自然，特别是生物界不断的学习，以此来优化、解决人类科技、生活、社会发展等诸多方面面临的问题。仿生学是将生物界发现的规律以及机理应用到工程应用领域从而解决问题的一门综合性的交叉学科，同时利用生物系统构造和生命活动过程作为技术创新设计的依据，针对性地进行模仿。仿生学从诞生至今，已经在诸多科学及工程应用领域取得了相当多的成果，随着现代科学技术的发展和工程实际的需求，，在众多的工程技术领域也相应地开展了对口的技术仿生研究。例如，航海部门对水生动物运动流体力学的；航天部门对鸟类、昆虫飞行的模拟及动物定位与导航研究；无线电技术部门对于生物神经细胞、感觉器官和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟及生物智能的研究等[1]。

鲟鱼,身体结构

Fish[2, 3]等认为这种生物结构能够减小游动的阻力，与此同时，Miklosovi也论证了这种发现。王国付[5]等人发现球形结节的翼型在一定程度上减小而且还能提高升力，如图 1.1 所示。奔驰汽车公司以一种热带的箱鱼xfish)做为仿生的原型，设计并且制造出一辆仿生汽车，在风洞实验中测得数仅为 0.19。2 鲟鱼体特征分析及仿生意义鲟鱼是属于鲟科（Acipenseridae）的 27 种鱼的常见名称。他们的进化可大约在 2.45 到 2.08 亿年前的三叠纪。鲟鱼已经在水下环境中生活了数亿早已进化出了适应水下环境的身体结构[6, 7]。与其他水生脊椎动物相比，有部分类似的身体结构和外观。比如类似于鲨鱼的异型尾鳍，以及细长的且符合空气动力学的流线型身体，光滑皮肤，全身没有鳞片。但是，除此有着些许不同的构造，例如：鲸类（鲸鱼，海豚，鼠海豚等）在吻突后面突出的前额[8]，但是鲟鱼却没有，如图 1.2 所示鲟鱼的身体结构。因此鲟部区域可能产生的阻力较小。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：Q811;TK72

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