非定常流Weis-Fogh机构在零航速减摇中的应用

由于Weis-Fogh机构的仿生机构可以在零航速下产生升力,因此可以用来进行零航速减摇.基于势流理论建立的Weis-Fogh机构升力模型忽略了翼缘的分离涡对翼的作用,所以不能更好地模拟实际流场.因此基于点涡模型建立Weis-Fogh机构升力模型,并对Weis-Fogh机构张开时所产生的升力进行了数值计算.通过对有分离涡的Weis-Fogh机构升力和没有分离涡的Weis-Fogh机构升力之间的对比,发现前者产生的升力远大于后者.最后同实验数据进行了比较,证明该点涡升力模型可以更好地模拟翼上产生的升力.     

仿Weis-Fogh效应的半转机构急张阶段分析

Weis-Fogh机构能够高效率地产生升力或推力.阐述了利用半转机构对Weis-Fogh效应的仿生,分析半转机构在急张阶段叶片内侧的速度和压强分布特点,得出半转机构在运动中能产生比较明显的Weis-Fogh效应.     

基于Fluent的扑翼飞行器非定常空气动力学分析

在仿生扑翼飞行器的设计和研究中,扑翼所产生的升力系数和推力系数具有重要的意义.针对本课题所研制的一种仿鸟扑翼飞行器,利用Fluent分析了翅翼在不同控制飞行参数(包括飞行速度,扑动频率)下的升力和推力系数,其仿真结果与对气动模型进行定性分析的结果基本一致,验证了该法对扑翼飞行器进行非定常空气动力学分析的可行性,为扑翼飞行器的进一步研究设计提供考.     

基于Weis-Fogh机构的零航速减摇鳍升力特性研究

为了克服传统减摇鳍只能在有航速情况下进行减摇的缺点,该文提出了一种基于Weis-Fogh机构的零航速减摇鳍.通过对Weis-Fogh机构原理与流体特性的深入研究,从理论上推导出平板翼的升力表达式,确定了升力与旋转角速度及角加速度之间的函数关系.在Matlab/Simulink环境下,建立了平板翼的升力模型,完成了平板翼在各种运动规律下的升力仿真实验.仿真结果证明,这种新型的减摇鳍能够在零航速下瞬间产生巨大升力,通过控制翼的旋转角速度及角加速度能够控制升力的大小及建立的时间,验证了采用Weis-Fogh机构设计零航速减摇鳍的可行性.     

有间隙翼片的Weis-Fogh效应

Weis-Fogh效应是一种昆虫产生大升力的机制,在它的实际应用中两个翼片往往不可能完全合拢,而是保留一定的间隙。翼片的问隙导致环量的减小。讨论了间隙对环量的影响和环量对间隙的敏感度,并给出比较适当的间隙的建议。     

升力翼列车通过隧道的气动效应研究（英文）

升力翼列车是一种通过增加升力翼来提升气动升力的新概念列车,可等效降低自身重力,有效减少轮轨磨损。本研究基于RNG k-ε湍流模型,采用滑移网格模拟方法,研究了不同攻角升力翼列车通过隧道的气动效应,并通过动模型实验数据对数值计算方法的精度进行验证。研究结果表明:升力翼列车进入隧道后列车升力增大,相较于明线,隧道内平均升力增加了33.3%;在进入隧道时攻角由12.5°减小为7.5°,可以较好地减小进入隧道时的升力波动,同时也可减小列车和隧道表面的压力峰值,有利于列车平稳通过隧道。通过对比有、无升力翼的列车可发现,车体前端主要受到升力翼增加车隧阻塞比的影响,而压力上升;车体后端主要受到升力翼尾流的影响,压力降低。本研究结果可为升力翼列车平稳通过隧道提供技术支持。     

缝翼结构参数对缝翼噪声影响的三维仿真分析

缝翼噪声是机体噪声的重要组成部分,调整缝翼结构参数可有效抑制缝翼噪声的辐射。针对典型多段翼型30P30N,首先,通过调整缝翼结构参数,如改变缝翼与主翼之间的相对位置、封闭缝翼通道等,以得到新的缝翼构型;其次,采用DDES方法计算三维瞬态流场,分析新构型下缝翼附近流场的涡量分布特性,以及利用FW-H积分方程获得远场噪声辐射的指向性和声压级分布特性;最后,通过参数对比分析,揭示缝翼辐射噪声的产生机理,并获得缝翼结构参数对噪声辐射特性的影响规律。研究结果表明:缝翼附近流场的涡量强度与缝翼噪声源有着紧密的联系;通过调整缝翼位置参数与缝翼后缘变形等方法,能有效降低缝翼前缘尖端附近流场的涡量强度,可在保持较高的升力系数的条件下,较大幅度降低缝翼噪声辐射。     

重叠网格技术下振荡水翼的水动力特性

为研究运动参数对于振荡水翼在潮流中获能效率的影响,给出水翼高获能效率时的运动参数分布规律,提高振荡翼式潮流能发电装置的获能效率。基于重叠网格技术建立了振荡水翼的数值计算模型,并对网格的有效性进行了验证,通过改变水翼的折算频率f*、摆角幅值θ₀、升沉振幅h₀等运动参数,对二维振荡水翼的水动力特性及相应的获能效率进行了研究,分析了涡脱落对水翼运动过程中获能效率的影响;同时研究了双翼之间形成翼地效应时的压力分布,分析了该情况时水翼的水动力特性以及翼地效应对获能效率的影响。结果表明:合理规划振荡水翼的折算频率、摆角幅值、升沉振幅、转轴位置等参数均可以提高水翼的能量捕获效率;水翼在振荡运动过程中,涡脱落的产生将会影响到水翼的获能效率;平行对称双水翼之间的翼地效应会使双翼之间的流域形成高压区,提高水翼升力;增加的升阻比有利于提高水翼的能量捕获效率,在双翼最小间距缩小时,水翼的获能效率会因地面效应作用的增强而提高。     

半转叶轮仿生推进器模型的实验方案设计

半转叶轮仿生推进器是基于半转机构实现韦斯-福(Weis-Fogh)效应仿生原理的新型船舶推进器,其推进原理不同于普通的螺旋桨,为探寻其工作时流体的流动特性及由此获得的推进力和推进效率等,需设计合理的实验方案对推进器模型进行实验研究.     

DLR-F4翼身组合体流场数值模拟

为了研究阻力计算精度并考察网格和湍流模型对翼身组合体构型气动特性的影响,通过求解雷诺平均Navier-Stokes方程耦合Spalart-Allmaras和Baldwin-Lomax湍流模型,数值模拟DLR-F4翼身组合体流场.使用"超立方体"概念构建绕DLR-F4翼身组合体的高质量多块结构拼接网格,通过网格细分来研究网格密度对计算结果的影响.结果表明:湍流模型和网格密度对升力影响较小,对阻力影响较大,网格密度对压力系数分布影响甚微;适当地缩小第一层网格到物面的距离,增加物面法向网格点数能改善阻力计算精度.     

翼型厚度和弯度对前飞扑翼气动性能的影响

扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行方式的新型飞行器.翼型参数设计对提高扑翼飞行器性能至关重要,为研究扑翼翼型厚度和翼型弯度对前飞扑翼气动性能的影响,基于自然界中飞行生物的实验观测结果建立了前飞扑翼气动特性计算模型,针对不同厚度和弯度的NACA系列标准翼型,采用计算流体力学方法求解二维不可压缩非定常Navier-Stokes方程,基于有限体积法并结合动态网格技术,分析了低雷诺数条件下对应不同来流速度的刚性前飞扑翼气动力、能耗、气动效率以及周围流场结构随翼型厚度和弯度的变化规律.结果表明,不同来流速度条件下扑翼推力和能耗均随翼型厚度的增大而逐渐减小,随着翼型厚度的增大,扑翼推进效率最大降幅达15.9%;翼型厚度的增加,降低了前缘涡强度并延迟了前缘涡的脱落.翼型弯度可以改变翼型的有效气动攻角,翼型弯度的增加可以显著提高翼型升力和升举效率,并促使尾流中心线向右下方倾斜;正向弯度扑翼在下扑行程能产生更大的升力,而负向弯度扑翼则在上挥行程中产生了更大的推力.     

Magnus减摇装置及其升/阻力特性分析

为了研究基于Magnus效应的船用减摇装置(转子翼)的水动力特性,本文结合美国Quantum公司推出的Maglift型产品,采用ANSYS软件分析了不同航速、转速下转子翼的升/阻特性。建立了转子翼绕流的几何模型,利用ANSYS-CFX对转子翼的升/阻力及升/阻系数进行稳态仿真分析,将得到的升力进行非线性曲面拟合,得到转子翼升力与转速和航速的关系。仿真结果表明:转子翼的升/阻力受航速、转速的影响显著,均随二者的增加而增加;与传统减摇鳍对比,Magnus减摇装置具有更高的升力系数,开展对Magnus减摇装置的水动力分析具有十分重要而深远的意义。     

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。     

二维串置翼型气动特性数值分析

采用基于雷诺时均法和k-ω湍流模型,对模型低速下粘性流场进行数值仿真.在不同迎角下,以前后翼总体升阻系数特性和升阻比为参数,对比了前后翼相对安装位置和安装角度两种因素对升阻特性的影响,初步得出其对升阻力特性影响的规律.结果表明,串置翼布局在选定的安装位置和安装角度下,相比于两段单翼升力最高提升37.2％;两翼夹角越大,升力曲线过渡越平缓;串置翼型气动载荷存在传递作用.     

均匀流作用下悬浮隧道管段水动力参数分析

为研究断面形状对悬浮隧道管段绕流升力系数以及阻力系数的影响,采用RNG k-ε湍流模型,通过ADINA流体模块对8种不同几何形状、高宽比系数的悬浮隧道管段在均匀流作用下的绕流场进行了数值模拟,分析了悬浮隧道管段绕流升力、阻力系数的变化规律。结果表明：管段曲率是影响绕流场的重要参数,减小高宽比系数,采用平缓曲率断面可显著减小绕流升力、阻力系数;具有棱角的方形、长方形断面绕流升力、阻力系数均较大,压力变化复杂,不利于结构稳定;在相同断面面积的条件下,采用多边形断面以及曲边形断面设计可以大大减小绕流升力、阻力。     

仿生蜻蜓机构设计

为了研究蜻蜓拍动双翼飞行时产生的流场结构,根据以往的观测结果,设计制作了能够精确模拟蜻蜓翼运动的仿生机构,用于蜻蜓高升力机制的流体力学实验研究。经测试表明,该机构可精确模拟蜻蜓翼运动,且运动重复性高,完全满足蜻蜓仿生流体力学实验要求。     

仿胸鳍推进系统的水动力实验研究

为了研究仿生力学在非定常流动中的应用,针对刚性胸鳍建立了二自由度运动模型,设计了实现二自由度运动模式的仿胸鳍操纵系统的实验装置.胸鳍推进系统主体由两个伺服电机控制系统组成,能够产生限定范围内的各种预定的摇翼运动和前后拍翼运动的组合.研究耦合运动的相位差、摆动频率、滚转幅值、拍动幅值、滚转偏角、拍翼偏角等参数对胸鳍水动力性能的影响,得到各水动力系数在一个周期内随时间的变化趋势.实验结果为研发高机动仿生水下机器人奠定了技术基础.     

非正弦升沉运动对扑翼自主推进的影响

为了研究仿生推进机理以及仿生机器人,弥补非自主推进的局限性,采用数值方法耦合求解流体动力与扑翼运动,建立扑翼-流体耦合的自主推进计算模型,K作为波形调节参数使波形由三角波变为正弦波以及方波,数值模拟了2个频率-升沉幅值组合下非正弦升沉运动的自主推进性能,研究在静水中不同运动波形对自主推进速度、自主推进效率以及流场结构的影响。结果表明非正弦波形对自主推进运动影响很大,随着K的增大即越接近方波,速度振荡越剧烈,起动加速越快,前进位移与平均速度越大;随着K的减小,自主推进效率及能量利用率不断增大,研究结果对仿生水下航行器的设计有一定指导意义。     

扑翼气动力特性的数值研究

利用流体力学数值方法有限体积法,研究了低雷诺数下二维蜻蜓翼模型在运动过程中的气动力特性.结果表明:随翼型厚度的增加,其垂直升力和水平推力均有所下降;随着扑动幅值的增加,升力和推力也显著增加;改变扑动频率、升力和推力在频率为30~50Hz的范围内产生一个峰值,符合实际蜻蜓扑动频率范围;改变翼扑动平面倾角发现,随倾角的增大,升力逐渐减小,而推力则稳步增加;在一个扑动周期内,翼的下拍过程主要产生升力,而推力的产生主要来源于翼的上挥运动.     

仿海蟹机器人自主游动性能研究

为了研究两栖仿生机器人,采用计算流体动力学(CFD)方法对双游泳足推进仿海蟹机器人自主游动机理进行研究。建立仿海蟹机器人自主游动计算模型,以双桨协同步态为例对游泳足推进的仿海蟹机器人水动力性能进行了模拟,探讨了自主游动过程中运动学和力学参数的时间历程规律,分析了游泳足运动参数对自主游动速度和推进效率的影响,提取了三维流场结构,从涡动力学角度揭示了自主游动过程中水动力的产生机理。搭建了自主游动实验平台,针对双桨协同步态和双桨交错步态两种推进形式进行了对比实验,验证了水动力学分析的正确性。