典型仿生水翼的推进及能量吸收机制研究
[Abstract]:In the course of evolution for hundreds of millions of years, organisms in nature have undergone constant natural selection, thus forming extraordinary mobility in fluid media such as air or water. The study of swimming or flying organisms can greatly promote the development of underwater propulsion technology. With the development of technology, underwater thrusters with different bionic prototypes emerge in endlessly, but their propulsion performance is still lagging behind that of biological prototypes, which highlights the necessity of studying the mechanism of biological propulsion. In order to reveal the mechanism of bio-efficient propulsion, scholars at home and abroad have done a lot of work by using a variety of research methods, including numerical simulation and prototype design, but its performance parameters can not achieve the expected results of bionic prototype. In order to reveal the propulsion mechanism of bionic hydrofoil, a numerical method for solving the propulsion of bionic hydrofoil is proposed. Firstly, bionic hydrofoil is established according to the results of biological observation. On this basis, immersion boundary method is used to simulate the action of the boundary in two-dimensional scale, lattice Boltzmann method and finite difference method are used to solve the fluid part, unstructured body-fitted grid is used to divide the flow field in three-dimensional scale, and moving grid technology is used to simulate the movement of the boundary, fluid. Finally, a bionic hydrofoil propulsion experimental device is designed and built to provide a platform for the reliability verification of numerical results. The propulsion mechanism of NACA hydrofoil is studied by using the proposed numerical method. The influence of stroke angle, angle of attack amplitude, heave amplitude and Strouhal number on hydrofoil propulsion performance is analyzed. The comprehensive influence of four motion parameters on hydrofoil propulsion performance is analyzed by response surface method. The mathematical model between motion parameters and propulsion performance is established. Then the hydrofoil flexibility is analyzed. The influence of motion parameters and flexible parameters on hydrofoil propulsion performance is further analyzed by extracting hydrofoil wake flow field characteristics. Finally, the reliability of numerical results is verified by experiments. The effects of three motion parameters, i.e. attack angle amplitude, translational amplitude, Strouhal number, and spread flexibility on hydrofoil propulsion performance are analyzed. The comprehensive effects of the three motion parameters on hydrofoil propulsion performance are analyzed by response surface method, and the mathematical model between motion parameters and propulsion performance is established. The characteristics of wake flow field of hydrofoil are extracted, and the hydrodynamic mechanism of the influence of motion parameters and flexible parameters on hydrofoil propulsion performance is further analyzed. Finally, the reliability of numerical results is verified by experiments. Firstly, the coupled vibration of a flexible plate and a rigid cylinder in free flow is numerically simulated, the energy absorption mechanism of the flexible body is discussed, and the effects of spacing, mass ratio and Reynolds number on the coupled vibration are further analyzed. In order to verify the reliability of the geometric model and the motion model of the bionic prototype of the tuna family, the self-propulsion of the bionic prototype of the tuna family was numerically simulated, and then the tandem NACA hydrofoil and the tandem bionic prototype of the tuna family were advanced. The interaction and energy absorption mechanism were analyzed by extracting force parameters and flow field characteristics.
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q811
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本文编号:2239841
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