針對水翼在波浪滑翔機(jī)運(yùn)動中對本體產(chǎn)生的推進(jìn)動力的預(yù)報問題,利用CFD分析軟件Star-CCM+中的平面運(yùn)動機(jī)構(gòu)（PMM）模塊,對水翼翼板在波浪滑翔機(jī)主體隨浪升沉過程中產(chǎn)生的升沉和繞自身旋轉(zhuǎn)軸被動擺動的耦合運(yùn)動過程進(jìn)行三維模擬。通過對運(yùn)動過程中水翼產(chǎn)生的推進(jìn)動力進(jìn)行分析,探究水翼的波浪參數(shù)（波高、周期）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（展弦比）等對水翼推進(jìn)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn),在相同波高下,水翼擺動角速度與波浪周期成反比;水翼的前向平均推力系數(shù)與周期的平方成反比、與波高值近似成二次項比例關(guān)系;展弦比增加可以增大翼板的平均推力系數(shù),但增加幅度不大。 

【文章來源】：機(jī)械工程學(xué)報. 2020,56(08)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

波高0.8m時不同波浪周期下水翼擺角隨時間變化圖

性能的影響，為水翼翼板的設(shè)計以及波浪滑翔機(jī)在不同海況下的航行性能預(yù)報提供參考。1計算模型波浪滑翔機(jī)利用其上浮體帶動水下滑翔體進(jìn)行升沉運(yùn)動，而水翼在垂直方向上的振蕩運(yùn)動和流體的共同作用下，產(chǎn)生繞自身軸的被動擺動，進(jìn)而在水平方向上產(chǎn)生前向推力，帶動波浪滑翔機(jī)前進(jìn)[14]。波浪滑翔機(jī)水翼機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，可以簡化為垂直面內(nèi)升沉振蕩和繞自身軸自由擺動的耦合運(yùn)動。本文利用PMM模塊施加三維水翼模型一個垂向的主動振蕩運(yùn)動，并賦予其繞自身旋轉(zhuǎn)軸被動旋轉(zhuǎn)的自由度。波浪滑翔機(jī)水翼模型如圖1所示，水翼截面采用常用的NACA0012翼型[15]。波浪滑翔機(jī)隨海面波浪的升沉運(yùn)動近似為垂向正弦振蕩運(yùn)動，其振幅和周期與海浪參數(shù)基本相同，如式(1)所示2AsintT(1)式中，為翼板垂向運(yùn)動振幅；A為波高；T為波浪周期。圖1水翼及其運(yùn)動模型波浪滑翔機(jī)水翼產(chǎn)生的前向推力采用單位面積下前向推力系數(shù)TC來表示T0.5xTCbl(2)式中，TC為單位面積下前向推力系數(shù)；xT為瞬時前向推力；為流體密度；b翼板弦長；l翼板展長。波浪滑翔機(jī)特殊的運(yùn)動方式導(dǎo)致了水翼翼板上產(chǎn)生的前向推力系數(shù)是隨著時間不斷變化的。為了便于比較，將一個周期內(nèi)水翼產(chǎn)生的前向推力系數(shù)值對時間進(jìn)行積分再除以作用時間，得到水翼前向的平均推力系數(shù)值。TavT01dTCCtT(3)式中，TavC代表水翼產(chǎn)生的平均推力系數(shù)，平均推力系數(shù)越大，水翼前向推力性能越好。圖2網(wǎng)格離散采用重疊網(wǎng)格法模擬水翼的運(yùn)動，其CFD分析模型的網(wǎng)格離散方式如圖2所示，其中深色網(wǎng)格部分為背景網(wǎng)格區(qū)域，淺色網(wǎng)格為重疊?

參數(shù)對推力性能的影響進(jìn)行探究。2.1波浪周期對水翼前向推力性能的影響根據(jù)某海域波浪統(tǒng)計資料，周期為3～7s的海況出現(xiàn)的頻率相對較高。為了探究不同海浪周期下波浪滑翔機(jī)水翼的前向推力性能，分別選取波浪的周期參數(shù)為3s、4s、5s、6s、7s和8s進(jìn)行模擬計算及分析。同時考慮到統(tǒng)計資料和計算量限制，波浪的波高參數(shù)設(shè)為固定值，水翼翼板擺動限位角設(shè)為25°，水翼翼板主尺度參數(shù)展弦比為定值。模擬中，滑翔機(jī)水翼運(yùn)動的垂向振蕩幅值和水翼自由擺動的轉(zhuǎn)角隨時間的變化情況如圖3所示。從中可以看出，當(dāng)水翼垂向運(yùn)動方向改變時，翼板迅速向另一側(cè)擺動，在極短的時間內(nèi)達(dá)到最大限位角附近。之后在阻尼力矩的作用下產(chǎn)生振蕩并最終趨于穩(wěn)定擺角。同時，可以看出在水翼垂向振蕩運(yùn)動過程中，水翼擺角值大多數(shù)時間內(nèi)處于最大限位角值附近。圖3水翼垂向振幅及擺角隨時間變化關(guān)系圖4給出水翼翼板從波峰位置開始向下運(yùn)動，運(yùn)動至波谷再回到波峰的運(yùn)動軌跡，及波浪周期內(nèi)的尾渦壓力變化云圖。從圖4中可以看出，當(dāng)水翼從波峰往波谷運(yùn)動過程中，翼板下表面為高壓區(qū)，而翼板上表面為負(fù)壓區(qū)，并且不斷有渦在前緣上部生成、后移、脫落和耗散現(xiàn)象。當(dāng)水翼運(yùn)動到波谷附近時，速度降低，翼板下表高壓區(qū)逐漸消失，并出現(xiàn)在上表面。當(dāng)水翼由波谷向波峰運(yùn)動時，翼板向下擺動，翼板上表面處于高壓區(qū)，下表面處于低壓區(qū)，并且下表面存在渦的生成與脫落。在一個波浪周期內(nèi)，翼板表面高壓區(qū)始終位于水翼的后側(cè)，而低壓區(qū)始終位于其前側(cè)，進(jìn)而可以保證水翼產(chǎn)生的水平方向的流體力始終向前。圖4單周期內(nèi)水翼周圍壓力變化圖圖5給出了波高為0.8m情況下，在單個垂蕩運(yùn)動周期內(nèi)，不同

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]無人帆船研究現(xiàn)狀與展望[J]. 俞建成,孫朝陽,張艾群.  機(jī)械工程學(xué)報. 2018(24)
[2]三維擺動水翼仿生推進(jìn)水動力分析[J]. 胡健,趙旺,王子斌.  應(yīng)用科技. 2019(02)
[3]NACA 0012擺動水翼水動力特性的二維數(shù)值模擬[J]. 呂元博,田新亮,李欣,宋春輝.  中國艦船研究. 2018(02)
[4]波浪滑翔器縱向速度與波浪參數(shù)定量分析[J]. 桑宏強(qiáng),李燦,孫秀軍.  水下無人系統(tǒng)學(xué)報. 2018(01)
[5]波浪滑翔器技術(shù)的回顧與展望[J]. 廖煜雷,李曄,劉濤,李一鳴,王磊峰,姜權(quán)權(quán).  哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報. 2016(09)
[6]面向海洋觀測的長續(xù)航力移動自主觀測平臺發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J]. 陳質(zhì)二,俞建成,張艾群.  海洋技術(shù)學(xué)報. 2016(01)
[7]波浪驅(qū)動無人水面機(jī)器人運(yùn)動效率分析[J]. 田寶強(qiáng),俞建成,張艾群,金文明,趙文濤,陳質(zhì)二.  機(jī)器人. 2014(01)
[8]下一代海洋機(jī)器人寫在人類創(chuàng)造下潛深度世界記錄10912米50周年之際[J]. 封錫盛,李一平,徐紅麗.  機(jī)器人. 2011(01)



本文編號：3611983