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变形减摇鳍及其在水下机器人中的应用研究

潘艳  
【摘要】:减摇鳍自1889年问世以来,无论是在船舶减摇上还是在水下机器人作业中其优越性能是显而易见的。为此对于仅依靠改变壁面形状就能提高升力的变形减摇鳍升力模型的建立对今后减摇鳍鳍型的设计工作起到了举足轻重的作用。本文在前人的研究基础上提出和改进了三种变形鳍模型:波状突起鳍、变拱度减摇鳍和襟翼鳍,并对以上鳍型作了较深入的研究,对今后的减摇鳍设计工作具有一定的参考价值。 基于美国肯塔基大学BIG BLUE项目中应用的刚性充气式机翼的思想,通过改变机翼表面的几何结构,控制机翼表面的流场分布状况,推迟边界层分离,提高升力;本文提出了一种表面具有“波状突起分布”的减摇鳍。借助流体力学软件FLUENT,对波状突起鳍进行了三维数值模拟流场计算,并与相同几何尺寸的标准NACA0015减摇鳍所测得的水池实验数据进行了对比,发现波状突起鳍在相同条件下能减小流体分离区,达到提高升力的目的;最后对升力增加的机理作了简要的分析。波状突起鳍增加了变形减摇鳍的鳍型选择范围,并为以后的进一步研究奠定了基础。 为了在复杂变化的海情下实现节能高效减摇,在哈尔滨工程大学零航速变拱度减摇鳍升力数学模型的基础上,通过最大转鳍角与随机海浪波高值关系的无因次化处理来表示随机海浪作用下的升力,同时以产生升力最大,消耗能量最小为目的,建立寻优目标函数;然后利用粒子群算法PSO得到随机海浪作用下的最优拱度,并且将该减摇鳍应用到水下机器人中。 由于该变拱度减摇鳍在工程上很难实现,考虑实用性参考了航空上应用广泛的变形襟翼和哈尔滨工程大学从理论上提出的零航速襟翼鳍,选用标准NACA0015矩形鳍的剖面为模型,从仿真实验角度探究零航速下襟翼鳍的水动力性能,并初步讨论襟翼与主翼弦长比、襟翼的旋转角度、襟翼鳍的运动幅值、运动频率对减摇鳍水动力性能的影响。实验发现襟翼与主翼弦长比为0.1的时候襟翼鳍的水动力性能最好,襟翼的旋转角度越大水动力性能越好,襟翼鳍的运动幅值越大水动力性能越好,襟翼鳍的运动频率对襟翼鳍上产生的升力影响很大,运动频率越大所产生的升力也越大。最后比较了零航速襟翼变形鳍与XTTM系列收缩式零航速减摇鳍的升力特性,得出在零航速下襟翼变形鳍在作高速拍动时,升力增加明显,而对于已经广泛应用的XTTM系列收缩式零航速减摇鳍在低速拍动时产生的升力明显比襟翼变形减摇鳍大。 最后分别将零航速变拱度减摇鳍和零航速襟翼鳍应用到Fossen水下机器人中进行了减摇仿真计算。


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