全被动式海流能量采集系统水动力学机理

采用计算流体力学方法研究基于振荡水翼的海流能量采集系统.该系统包含俯仰与升沉两自由度运动,升沉方向包含阻尼器,俯仰方向包含扭转弹簧,基于流致振荡的原理在均匀来流中形成周期性的能量采集状态.提出该能量采集系统的目的是为了缓解传统采集方式对海洋环境的破坏.在传统的基于旋转叶片的水轮机海流能量采集器中,高速旋转的叶片在叶尖形成高速流动,由此产生的噪音及高速流影响了海洋鱼类的迁徙.对转轴位置与弹簧刚度这2个参数进行研究.结果表明,在(b,kα)相空间中存在4种基本工作状态：1）水翼随着时间演化回到初始状态|2）周期性的俯仰与升沉运动|3）在0°角附近小幅度俯仰振荡而升沉方向沿某一方向漂移|4）由于不规则振荡及升沉方向的大位移,计算发散.其他结论包括：1）最大能量采集效率接近20%|2）与前人研究相比,能够在更大的参数范围内采集到稳定能量.     

高速列车受电弓空气动力学对弓网受流的影响

为了研究高速列车弓网受流特性,考虑受电弓平均稳态与非稳态气动力影响,基于受电弓的非稳态空气动力学模型,采用均匀来流假设,运用计算流体力学(CFD)方法得到受电弓各部件的气动升阻力.将非稳态气动力时间平均,得到平均稳态气动力,并将具有一定脉动的受电弓非稳态气动力及平均稳态气动力分别加载至弓网动力学模型中,对比了2种气动力加载情形下弓网动力学. 仿真结果表明:在受电弓三质量块模型下,受电弓平均稳态与非稳态空气动力学对弓网受流的影响差别不大.进一步从受电弓非稳态气动力激励的振幅与频率两方面研究了其对弓网受流的影响,当外部激励振幅较大或频率与弓网系统频率接近时,弓网受流特性会受到显著影响.研究结果为将来考虑非均匀来流、横风等复杂气动条件下的弓网受流特性研究提供了基础.     

下游圆柱涡致振动的升阻力特性及涡脱落模态分析

采用分块耦合方法结合任意拉格朗日欧拉法数值求解非定常二维不可压缩NS方程和Poisson
方程，分析了下游圆柱涡致振动的涡脱落模态以及升阻力特性。圆柱振荡频率比值为0.30～1.49。分析了
各种模态之间相互转化的跃迁点、升力与振幅间相位和模态间转化的关系，以及初始涡量形成的差异与模
态间转化的关系，研究了当涡脱落向下游移动时的演化和重组现象。研究发现，涡的横向和流向间距以及
涡街的大小随频率比的变化而变化；存在3种典型的涡脱落模态，即2P、2S 和 P+S模态，各种模态之间相
互竞争从而促进了流体与结构间相互作用的发展。     

黏性非定常圆柱绕流的升阻力研究

对于单圆柱绕流问题，以前的分块耦合法一般将整个流场区域划分为八个子区域，同时每一子块的内部拟边界与相邻块重叠一层网格，且节点数一致，以便实现数据传递．这种分块方法紧贴圆柱面上也会有拟边界点，所以不利于以后的动网格计算，使用新的分块耦合求解方法来数值模拟单圆柱以及不同间距下的串列双圆柱绕流情况，克服了过去分块方法造成的边界附近的数值奇性问题，并将该方法扩展用于串列双圆柱绕流的数值模拟，研究分析了改变双圆柱中心间距对上下游圆柱的升阻力系数和脉动频率所产生的影响，为进一步研究涡致振动提供了依据，使用壁面涡量积分法计算升阻力系列化脉动，精确计算出了脉动周期和幅值，计算结果与实验数据符合较好。     

密度比对半主动拍动翼海流能采集系统影响研究

针对基于振荡水翼的海流能采集系统水动力学机理尚不完全清楚的问题,对半主动海流能采集系统的各项参数进行了数值模拟研究。半主动海流能采集系统俯仰运动由执行机构通过外力控制,升沉运动由作用在水翼上的水动力激发。先研究了最大有效攻角、拍动频率对系统能量采集效率的影响,进一步研究了水翼与流体的密度比对系统能量采集效率的影响。研究结果表明,密度比对系统的能量采集效率有较大影响,在所选用的参数范围内,能量采集效率随着密度比减小而增大。因此,水翼本身的惯性的影响在半主动海流能采集系统的研究中不可忽略。     

仿飞鱼跨介质无人平台的探索研究

跨介质飞行器是一种既能在空中飞行,又能在水下潜航的新概念飞行器,它兼有飞行器的速度和潜航器的隐蔽性。该文以自然界的飞鱼为模仿对象,研究了一种仿飞鱼的跨水气介质无人平台。该仿生飞鱼的身体长度25 cm,排水重量约为0.191 kg。采用计算流体力学的手段,研究了仿生飞鱼水下游动与水面滑行阶段的水动力学特性。重点比较了飞鱼达到巡航状态所需功率,从而证实飞鱼可以通过水面滑跑过程进一步加速到起飞状态。首先,对于水下游动状态,当巡游速度为10 m/s,尾鳍摆动频率为145 Hz时,在小摆动幅度工况下,飞鱼达到巡游状态需要的输入功率约为350 W,此时通过身体重量计算出的肌肉功率密度为3 664 W/kg,该数值可以在生物学上找到合理解释。当飞鱼在水面滑跑时,同样输入功率为350 W时,滑飞速度可达到16.5 m/s。可见,飞鱼可通过水面滑跑进一步将自身加速到起飞状态。     

方柱绕流横向驰振及涡致振动数值模拟

对Re=250下弹性支撑方柱绕流进行数值模拟.流场计算采用基于任意拉格朗日欧拉（ALE）描述的不可压流体N S方程，对流项与扩散项分别采用三阶迎风紧致格式与四阶紧致格式进行差分离散，利用分块耦合生成正交性较好的结构化网格，模型简化为弹簧阻尼质量系统，柱体运动采用经典龙格库塔方法求解.模拟了方柱的驰振和涡致振动，捕捉到了驰振到涡致振动的转变，捕获了涡致振动的“锁定”、“拍”、“相位开关”等现象.验证了该计算方法的可行性，计算结果为工程实际提供了依据.     

DTMB 4119螺旋桨噪声特性的数值模拟

将DTMB 4119型螺旋桨作为研究对象,在敞水和伴流条件下分别计算水动力学特性和非空化噪声声压级. 在多个进速系数下对单桨模型的敞水性能展开验证,与文献实验值比对验证准确性后,引入FW-H声类比方程求解监测点声压及频谱. 结果表明,现有模型可以在多个进速系数下取得较吻合的数值结果;单极子和偶极子噪声频谱在低频段出现显著高于宽带的线谱噪声,频率与桨叶BPF及谐波对应. 在轴向平面内,单极子噪声声压级呈现出8字形的分布特征,偶极子噪声声压级呈现出∞型的指向性分布. 伴流场不会改变单、偶极子总声压级的指向性,但会使得各方向线谱噪声声压级趋于均匀. 在径向平面内,单、偶极子的噪声声压级指向性不明显.     

仿生机器鱼尾鳍推进性能实验研究

该文研制了仿鲤鱼机器鱼平台,并通过系泊测力实验研究了自然界常见的圆形、叉形和新月形尾鳍的推进性能,同时比较了刚性、弹性两种材质对尾鳍推进性能的影响。结果表明,弹性尾鳍让机器鱼的平均推力随振幅和频率的变化更平稳;在摆动频率处于中高段时,展弦比较大的刚性尾鳍比弹性尾鳍能产生更大的推力,而展弦比较小的弹性尾鳍比刚性尾鳍能产生更大的推力。