仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构设计与水动力分析

为了提高水下无人航行器推进系统效率,设计仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构及其摆动形式. 在研究蝠鲼胸鳍运动机理的基础上,设计摆动幅值与急回系数相互解耦的曲轴联合曲柄摆杆机构,以实现仿生胸鳍的特定摆动形式. 推导并建立仿生胸鳍的鳍面运动方程,利用数值仿真分析单侧胸鳍在该摆动形式下的水动力特性,根据设定的推进性能评价指标说明该摆动形式相对正弦摆动形式的优越性. 通过实验验证装置的前进、转向等运动性能,分析胸鳍摆动幅值、频率与运动速度的关系. 结果表明,在特定的摆动形式下,该仿生胸鳍摆动推进机构能够实现水下无人航行器的前进、转向等预定运动,满足基本推进要求.     

仿生水翼推进系统研制与实验研究

为探讨水下非螺旋桨推进方式,进行了海龟水翼法推进仿生技术研究.研制了"Leonardo"号仿生水翼推进系统,包括推进执行系统、控制与感知系统和通讯与能源系统等,并进行仿生水翼推进系统直航和原地转艏运动的变参数测试实验,验证了数值模拟试验中水翼运动水动力对于系统运动的影响.实验结果表明,水翼拍旋角速度对于系统的直航速度呈...     

非定常拍动翼的水动力性能研究

拍动翼推进方式为水下机器人推进提供了更有效地选择,为了探究拍动翼的水动力性能,采用基于速度势的面元法对非定常拍动翼在特定运动规律下产生的水动力进行了计算,通过与相关实验数据的对比,同时采用计算流体力学FLUENT软件进行了计算并且将结果进行比较,结果的变化趋势一致,最小误差只有11%,充分验证了面元法计算的可靠有效性.通过对拍动翼水动力计算结果的研究,分析了各个运动参数包括来流速度、运动幅值、相位差和运动频率对拍动翼水动力性能的影响.     

海龟水翼运动模型及仿生推进机构研究

针对海龟水翼运动的特点,进行了仿水翼推进系统的研究.基于水翼运动的抽象分析,建立了二自由度水翼运动模型,描述了水翼运动典型状态下的翼态特征.设计了仿生运动机构,分析了其运动学特性,为优化仿生推进机构的设计与控制提供了依据.基于PC104和DSP构建了仿生机构的控制系统,实现了运动控制器的模块化设计.搭建了单肢运动实验平台,从功能仿生角度实现了水翼运动,试验验证了仿水翼机构运动的可行性和控制系统的有效性,丰富了水下推进理论.     

波翼相位差对柔性翼水动力性能的影响

以仿生推进系统利用波浪能为背景,研究了波翼相位差对规则波下近波面二维柔性拍动翼的推进性能的影响。采用求解RANS方程的方法,计算了不同波翼相位差下柔性翼的水动力性能,并与无波情况下及相同工况下刚性翼结果进行比较。计算结果显示:波翼相位差对翼水动力系数的相位、幅值有影响,恰当波翼相位差下,柔性翼能有效利用波浪能增加自身推力及效率,且其对波浪能的利用能力高于刚性翼。尾涡分析表明,恰当的波翼相位差能够提高柔性翼尾涡梯度及其连续性,从而提高波面下柔性翼推力及效率。     

仿胸鳍推进系统的水动力分析

针对刚性胸鳍建立了二自由度、三自由度的运动模型,同时提出了行程时间比运动模型.在此基础上,从面元法出发,根据偶极子分布与漩涡分布的等效性,发展得到非定常涡格法的理论公式,利用非定常涡格法分析刚性胸鳍的水动力性能.胸鳍的运动由静止突然加速到恒定,在每个时间步长内用定常涡格法求解附着涡的涡强.自由涡由边缘泄出,并按时间步长逐步自动生成,并考虑其强度的耗散.采用Biot-Savart定理求涡系的诱导速度,通过非定常伯努利方程导出压力计算公式,从而得到胸鳍的水动力性能.     

水下仿生扑翼推进性能分析

为了探索水下仿生扑翼的推进机理,研究水下扑翼推力及推进效率的特性,建立了二自由度水下扑翼运动模型及水下扑翼推进效率估算方法。采用计算流体力学的方法,利用动网格技术处理运动边界问题,基于Realizable k-ω湍流模型对水下扑翼运动的非定常水动力性能进行了数值计算。通过对多种运动工况下水下扑翼推进性能数值计算的结果分析,阐述了水下扑翼推力产生的机理,得到了扑动频率、上下拍动幅度、翻转幅度等扑翼运动参数对扑翼推力的影响关系,给出了水下扑翼推进效率随运动参数的变化曲线及最佳推进效率点,为水下扑翼推进技术的研究和发展提供了重要参考。     

非定常流场中机械胸鳍的水动力性能分析

针对刚性胸鳍建立了二自由度、三自由度的运动模型,通过对基于求解雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程的商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用动网格技术以及强大的后处理系统,计算了刚性胸鳍在粘性流场中的水动力性能.对于充分发展的湍流采用RNG k-ε模型,而对于近壁区流动采用壁面函数法进行处理.为克服数值模拟高雷诺数时的数值不稳定性,计算中采用了QUICK迎风格式.将数值计算结果与物理实验结果进行比较和分析得知,运用FLUENT软件求解该问题是切实可行的.     

柔性拍动翼的水动力与推进效率研究

为研究柔性拍动翼的水动力性能及指导仿生推进器的设计,应用自主开发的浸入边界法CFD程序数值模拟了三维柔性翼的非定常绕流问题.在固定的笛卡尔网格上通过基于虚拟网格的边界条件重建算法来施加复杂移动变形边界对流动的影响,以能量的视角提出一种对刚性和柔性拍动翼都适用的推进效率数值计算方法,并系统地研究了各参数对三维柔性翼推进性能的影响.结果表明:当变形运动控制参数ε处于2.0~3.5,且弦向变形系数δ为0.1时,柔性拍动翼的推进效率将超过刚性翼;柔性翼性能随变形运动控制参数的变化取决于水动力产生表象之下的涡动力学,包括翼尾缘变形对漩涡脱落的控制和展向涡量输运机制;柔性拍动翼的平均推力随无因次频率k的增大而单调增加,与实验中依靠胸鳍推进的鱼通过增加胸鳍的拍动频率来增加推力的现象是一致的;存在一个使柔性翼的推进效率最高的最优k,即实验中依靠尾鳍推进的鱼存在一个最优斯特劳哈尔数,使效率最佳的特性在模拟中得以体现.     

仿生机器魟鱼研制与游动性能实验研究

为了开发一种游动稳定性和机动性高的水下机器人,从鳐科模式游动的魟鱼胸鳍波动推进中得到灵感,在分析肌肉和骨骼结构的基础上,设计带有环形长鳍的仿生机器魟鱼,研究机动游动的控制策略.研制仿生机器魟鱼样机.基于游动图像序列处理方法,通过实验研究波动频率和幅值对游动性能的影响.结果表明,仿生样机能够实现与魟鱼相似的游动运动,游动稳定性好、机动性高,直线游动速度和原地转弯速度随波动频率和波动幅值的增大而增大,最大直线游动速度为109mm/s,最大原地转弯速度为93°/s.     

基于Hopf振荡器的仿生机器魟鱼胸鳍波形控制算法

为了获得与生物魟鱼胸鳍相近的推进波形和游动性能,提出基于Hopf振荡器的仿生中枢模式发生器（CPG）胸鳍波形控制策略. 针对仿生机器魟鱼的结构与游动特征,利用20个Hopf振荡器耦合构建中心式CPG拓扑网络模型;通过输入参数幅值、频率和波数,控制该拓扑网络模型输出仿生机器魟鱼定常巡游、加速游动和机动转弯3种游动模式下胸鳍波形的动态位置信号. 通过仿真验证了该拓扑网络模型能够快速响应输入参数的变化,稳定输出平滑、连续的动态位置信号. 通过试验研究该拓扑网络模型控制仿生机器魟鱼胸鳍波动的可行性以及网络的输入参数对仿生机器魟鱼游动性能的影响. 试验结果表明,该模型能够稳定地输出耦合的波形信号,控制仿生机器魟鱼鳍面形成与生物鱼相似的推进波形,实现各游动模式以及各游动模式间灵活平滑地切换.     

仿生波动鳍的试验研究

波动鳍是某些MPF鱼类的重要推进器,它通过在水中的波动来产生推进和机动所需的操控力和操控力矩.通过观察可知,波动鳍具有非常优秀的低速稳定和机动性能,可作为传统水下推进器的一种有益补充.该文从波动鳍的推进机理出发,设计了一种仿生波动鳍试验装置,该装置采用"鳍条-柔性蹼"结构,由9根鳍条组成,且每根鳍条均由一个舵机进行独立控制.针对载体推进速度与仿生波动鳍的波频、波幅、波长和波传播方向的关系开展了水池试验研究.试验结果表明,通过对仿生波动鳍的波动进行控制,能够使载体实现灵活的正逆向推进,且不同的波动参数对推进速度和推进效率有较大影响.     

两对鳍系统优化控制方法的研究

重点研究了前后两对鳍系统的控制优化问题。针对目前应用的两对鳍系统中控制器不能控制前后鳍总的扶正力矩问题,根据无干扰后鳍静态水动力特性曲线将后鳍转角分为有效鳍角和无效鳍角,这样就将复杂的前鳍对后鳍水动力干扰问题映射为简单可控的前鳍鳍角对后鳍有效鳍角干扰问题,在此分析基础上,对后鳍随动系统控制进行改进,实行复合控制来优化补偿后鳍有效鳍角的损失,提高后鳍的升力,使后鳍升力在有、无前鳍干扰时保持一致,优化控制后的控制器能够完全控制前后鳍合扶正力矩。同时,这一优化控制方法在两对鳍系统的设计安装也具有重大意义。     

超空泡射弹尾翼流体动力特性实验分析

为研究尾翼对超空泡流型发展及射弹流体动力的影响,在高速水洞中进行了通气条件下的超空泡射弹尾翼流体动力特性实验.首先基于高速水洞搭建了通气空化绕流实验测试系统,同时根据射弹基本外形,按照相似理论设计了尾翼测力实验模型,为改变空泡壁面与尾翼的相对位置关系,用以研究穿刺高度对射弹尾翼流体动力特性的影响,实验中采用调整空泡尺寸或模型安装姿态来改变尾翼穿刺高度,最后对实验方案的合理性进行了充分的论证.通过改变测试工况对超空泡射弹尾翼的流体动力特性开展实验研究,得到了不同穿刺条件下尾翼对空泡流型的影响规律及其流体动力特性.研究结果表明:尾翼穿刺空泡以后,在其顶部和侧面生成的二次空泡将显著改变主体空泡的形态,且随着穿刺高度的增加,尾翼对主体空泡的影响更加明显;尾翼的流体动力主要产生于前缘沾湿部位,且随着穿刺高度的增加升力系数和阻力系数均显著增加;在尾翼穿刺空泡的条件下,其阻力系数和升力系数随攻角的增大而线性增加.     

台阶式地形上双垂板透空系统的水动力学特性

基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM中的工具箱waves2Foam,通过在双垂板透空系统下方布置不同尺寸的台阶式地形（潜堤）,对规则波-双垂板-地形耦合系统的水动力学特性进行数值分析. 在不同入射波况作用下,研究双垂板的间距和台阶式地形的尺寸对结构系统前/后的反/透射系数、波能的黏性耗散率及双垂板间的液面相对振动幅值等水动力参数的影响. 此外,探究波浪非线性对相关水动力参数的影响. 结果表明：合理布置台阶式地形尺寸,如令地形的长度与波长的比值约为1.0,能够有效减小双垂板系统的波能反射和透射,并可获得适中的黏性耗散率;地形的存在会加剧双垂板间的液面振动幅度,有效提升两板间的波能捕获能力;波高的增大会造成反射和透射系数的减小,增大黏性耗散率,降低板间液面振动幅值.     

附鳍吊舱推进器的水动力性能分析

为了分析鳍对吊舱推进器水动力性能的影响,用基于速度势的低阶面元法预报附鳍吊舱推进器的定常水动力性能.螺旋桨和吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算来处理,螺旋桨的诱导速度及吊舱和鳍的诱导速度均进行周向平均.采用关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面形状的面元以消除面元间的缝隙.Newton-Raphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件.用柳泽(Yanagizawa)方法求得物体表面的速度分布.计算了无鳍、单鳍和双鳍拖式吊舱推进器的水动力性能.计算结果表明,鳍可以回收螺旋桨尾流的旋转能量,使附鳍吊舱推进器的水动力性能提高,双鳍时效率最高,单鳍次之,无鳍最低.     

弦向变形相位角对柔性尾鳍影响的水动力研究

以仿生推进系统在海洋开发中的广阔应用为背景,以研究柔性尾鳍水动力性能为目的,探讨了弦向变形相位角对柔性尾鳍推进性能的影响.分别采用非定常面元法和求解RANS方程的方法,计算了摆动仿金枪鱼柔性尾鳍在不同弦向变形相位角下的水动力性能,并同水动力试验结果进行比较.计算结果显示弦向变形相位角对柔性尾鳍水动力系数幅值、相位和尾涡...     

重型车液力减速器的换热器匹配与仿真分析

为了研究重型车液力减速器的散热问题,选用D300型液力减速器为研究对象。对充液率100%工况下的D300型液力减速器利用计算流体力学CFD软件进行了数值模拟。通过数值模拟得到其在相同时间内、不同转速下未加换热器时的闭口温度。为了保证液力减速器能在正常的温度下进行工作,匹配换热器时选用了体积小巧的板翅式换热器。同时,为了提高翅片的散热效率,选用了锯齿型翅片。最终根据D300型液力减速器散热量的需要,匹配了一款满足重型车使用的换热器。