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柔性尾鳍的水动力分析及实验研究

杨侠  
【摘要】: 本文针对现有船用螺旋桨、泵喷等常规推进器存在噪音大、浅水中船舶推进效率不高以及尾迹明显等缺点,提出一种新型仿生推进装置—仿鱼尾柔性尾鳍推进装置,并据此展开了对单翼板柔性尾鳍和双翼板柔性尾鳍模型的计算和实验研究,本文工作属于鱼类生物流体力学、机械学、材料学和控制技术等多学科交叉的一个新兴研究领域。 本文工作的目的是:分析翼板柔性尾鳍模型的水动力推进性能,希望可以为水下潜器等实施一种新型推进方式提供一定的理论及实验依据。文中先通过对单翼板柔性尾鳍波状运动进行了理论与实验分析,找出了各个运动因素以及结构因素对推进性能的影响,然后进一步通过对双翼板的水动力计算找出翼板拱度形状等因素在推进中所起作用;全文采用面元(涡格)法来分析和求解作用在水翼上的水动力系数,在模型处理上作者作了一定的改进。 本文的主要工作是:1、对现有的水下推进方式现状、优缺点等进行了回顾和分析,结合仿生学原理,论证了采用尾鳍式推进的优越性,并介绍了当前国内外对该领域的研究概况;2、介绍水动力计算中常用的理论方法,并重点介绍了本文中数值分析所采用的方法-涡环栅格法(VLM),为后续的理论分析与计算工作作准备;3、在继承国内外学者对鱼类游动机理研究成果的基础上,结合船舶结构与船型的实际应用要求,提出单翼板柔性尾鳍模型,通过对单翼板柔性尾鳍的水动力计算及其模型装置的水池实验,初步分析得出摆推式水翼水下的运动机理,分析中作者采用了自己提出的非线性性尾涡面假定,并分别对不同频率、不同来流速度、不同的摆幅等工况进行了实验分析,找出了各个运动因素和结构因素等对水动力推进性能的影响关系;4、更进一步,提出双翼板柔性尾鳍模型,并进行了双翼板(局部柔性)柔性尾鳍的水动力理论计算分析,提出了双翼板柔性尾鳍装置的机构优化设计方法及其运动规律,给出了相关计算结果,该部分重点研究双翼板的拱度变化对水动力推进性能的影响,目的是希望找水动力性能最优的拱度变化规律,为以后的多翼板柔性尾鳍模型的机构设计优化、拱度变化规律设计等提供计算依据和参考,并为真正的仿生柔性尾鳍推进运动规律提供理论依据。


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