本文主要采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)對(duì)柔性翼仿生推進(jìn)特性進(jìn)行數(shù)值模擬研究,系統(tǒng)分析運(yùn)動(dòng)幅值、運(yùn)動(dòng)頻率以及來(lái)流速度對(duì)柔性翼推進(jìn)特性的影響,確立最佳斯特哈爾數(shù)。對(duì)不同斯特哈爾數(shù)下柔性方的渦流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,從流動(dòng)機(jī)理角度對(duì)研究結(jié)果進(jìn)行了解釋。 

【文章來(lái)源】：艦船科學(xué)技術(shù). 2020,42(17)北大核心

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【部分圖文】：

計(jì)算模型示意圖Fig.1Diagramofcomputationmodel

常數(shù)。本文的柔性翼行波推進(jìn)運(yùn)動(dòng)屬于典型的動(dòng)邊界問(wèn)題，變形翼擺動(dòng)推進(jìn)過(guò)程中，翼型本身時(shí)刻都在做扭曲變形運(yùn)動(dòng)，壁面附近計(jì)算網(wǎng)格的位置和形狀也必須時(shí)刻進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，因此需要用到Fluent中的動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)來(lái)捕捉變形翼的運(yùn)動(dòng)邊界。根據(jù)前期工作經(jīng)驗(yàn)，本文選取動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)中的網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)對(duì)動(dòng)邊界進(jìn)行捕捉，具體動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)見(jiàn)參考文獻(xiàn)[10–11]。2計(jì)算模型、網(wǎng)格及數(shù)值方法驗(yàn)證2.1計(jì)算模型計(jì)算對(duì)象為二維的NACA0012翼型，具體如圖1所示。圖1計(jì)算模型示意圖Fig.1Diagramofcomputationmodel可變形翼舵中弧線長(zhǎng)c=0.2m,后緣變形起始位置xs，以翼型尾部任意一點(diǎn)a（初始橫縱坐標(biāo)分別為x0和y0，其中x0>xs）為例，翼型變形運(yùn)動(dòng)方程如下式：x=x0,y=y0+A·sin(2πft)=y0+(cx0)·tan(θ)·sin(2πft)。(3)其中f為運(yùn)動(dòng)頻率，A為運(yùn)動(dòng)幅值。一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)變形翼的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖2所示。其中T為運(yùn)動(dòng)周期，其與頻率f的關(guān)系為T(mén)=1/f。圖2一個(gè)周期內(nèi)可變形翼運(yùn)動(dòng)示意圖Fig.2Motiondiagramofdeformablewinginonecycle2.2網(wǎng)格劃分與邊界條件本文選取計(jì)算域大小如圖3所示。翼型前緣向前3c，設(shè)定來(lái)流速度的大小與方向；翼型向后6c，設(shè)定相對(duì)于參考?jí)毫c(diǎn)的流體靜壓值；翼型外表面，設(shè)定無(wú)滑移條件，同時(shí)加載UDF使其按照給定運(yùn)動(dòng)方程變形運(yùn)動(dòng)；上下邊界距離計(jì)算模型表面約4c，邊界條件亦設(shè)為速度入口條件，以模擬無(wú)界流常本文計(jì)算中使用的網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分基本原則為在模型表面附近網(wǎng)格加密，其中第一層網(wǎng)格間距根據(jù)y+確定（y+平均值約為1左右）。全局網(wǎng)格大約45萬(wàn)，網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證工作見(jiàn)參考本文獻(xiàn)[10]。2.3數(shù)值方法驗(yàn)證開(kāi)展數(shù)值方法精度驗(yàn)證工作，計(jì)算模型與參考文獻(xiàn)[12]一致，即二維NACA0012翼型。該翼型做拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)，相?

始位置s=0.4c,來(lái)流速度V=1m/s,運(yùn)動(dòng)周期T=0.5s，運(yùn)動(dòng)幅值A(chǔ)=0.021（對(duì)應(yīng)的θ值為10°）為例分別選取時(shí)間步長(zhǎng)Δt=0.0001s,0.001s和0.005s進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。計(jì)算得到的變形翼阻力系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。圖5時(shí)間步長(zhǎng)驗(yàn)證結(jié)果Fig.5Validationresultsoftimestep其中，CD表示阻力系數(shù)，其表達(dá)式如下式：CD=D1/2·ρ·V2·c2。(4)其中：D表示變形翼所受到的阻力值，ρ為水的密度，值為998.2kg/m3。從圖5可以看出，當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)減小至0.001s后，計(jì)算得到的變形翼阻力系數(shù)與時(shí)間步長(zhǎng)為0.0001s下計(jì)算得到的阻力系數(shù)變化曲線近乎吻合。因此在后續(xù)計(jì)算中時(shí)間步長(zhǎng)Δt設(shè)為0.001s。3計(jì)算結(jié)果及分析3.1柔性變形翼推進(jìn)特性分析對(duì)不同來(lái)流速度、運(yùn)動(dòng)頻率和運(yùn)動(dòng)幅值下的變形翼推進(jìn)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，共有45個(gè)不同組合的工況。具體工況為：來(lái)流速度設(shè)為V=0.1m/s,0.5m/s和1.0m/s運(yùn)動(dòng)幅值設(shè)為A=0.021m，0.043m和0.069m（對(duì)應(yīng)的θ值分別為10°，20°和30°），運(yùn)動(dòng)頻率f的變化范圍隨來(lái)流速度不同而相應(yīng)變化。具體表現(xiàn)為：V=0.1m/s時(shí)，f取值分別為0.4,0.5,0.6,1.0和2.0Hz；V=0.5m/s時(shí)，f取值分別為1.0,1.5,2.0,2.5和3.0Hz；V=1.0m/s時(shí)，f取值分別為2.5,3.0,3.5,4.0和4.5Hz。其原因在于，通過(guò)查閱文獻(xiàn)[1,4]可知，來(lái)流速度越大，克服流體阻力做功所需的運(yùn)動(dòng)頻率亦越大。因此為了達(dá)到研究運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)變形翼推進(jìn)性能的影響同時(shí)又兼顧計(jì)算效率，本文在低來(lái)流速度時(shí)，選取較低的運(yùn)動(dòng)頻率與之匹配，反之亦然。在進(jìn)行計(jì)算結(jié)果分析前，首先對(duì)變形翼推力系數(shù)和推進(jìn)效率進(jìn)行定義。變形翼推進(jìn)效率實(shí)質(zhì)上為輸出功率與輸入功率的比值，輸出功率可以表征為平均推力與來(lái)流速度的乘積，輸入功率則可以表示為翼型表面速度壓力乘積沿著翼型邊界的積分，具體如下?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]Numerical studies of the hysteresis in locomotion of a passively pitching foil[J]. 邵雪明,張曉龍,余釗圣.  Journal of Hydrodynamics. 2016(03)
[2]二維擺動(dòng)水翼仿生推進(jìn)水動(dòng)力性能研究[J]. 張曉慶,王志東,張振山.  水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2006(05)



本文編號(hào)：3432961