【摘要】：水力機(jī)械葉片的翼型大多是采用NACA系列的翼型,但NACA系列翼型的設(shè)計(jì)是基于氣體環(huán)境,若將其應(yīng)用在水力機(jī)械上,這會(huì)在一定程度上影響其性能,研究發(fā)現(xiàn)鱘魚的外形曲線具有較好的減阻效果。因此,本文以鱘魚為研究對(duì)象,采用高精度的三維逆向掃描技術(shù)提取鱘魚的幾何特征,根據(jù)鱘魚的外形曲線建立無量綱化的點(diǎn)坐標(biāo)系,通過最小二乘法將多次掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,構(gòu)建基于鱘魚的仿生翼型,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)鱘魚仿生翼型的升阻特性,翼尖渦流,壓力分布進(jìn)行了分析。同時(shí)借助大渦模擬(LES)對(duì)翼型前緣骨線進(jìn)了優(yōu)化設(shè)計(jì),在此基礎(chǔ)上,借助高速攝像技術(shù)對(duì)優(yōu)化后的仿生翼型在不同攻角下的空化特性及單個(gè)周期內(nèi)的空化發(fā)展過程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文主要結(jié)論如下:(1)在達(dá)到失速攻角之前,鱘魚仿生翼型的升力系數(shù)大于NACA0012和NACA0015翼型;相同雷諾數(shù)下,鱘魚仿生翼型的失速攻角與NACA0012翼型相近,小于NACA0015翼型;NACA0012和NACA0015翼型比鱘魚翼型更易產(chǎn)生和擴(kuò)散翼尖渦流。(2)優(yōu)化后的翼型升力系數(shù)與阻力系數(shù)變化的幅度非常小,然而相比于NACA0012和NACA0015翼型仍具有較好的升阻特性,且優(yōu)化后的翼型在一定程度上能減緩翼型前緣的空化。(3)實(shí)驗(yàn)中,優(yōu)化后的翼型的臨界空化角在10°與12°之間,隨著攻角的增大,前緣的空化區(qū)域逐漸增大,翼型的最大厚度處至后緣之間也更易發(fā)生云空化。上述研究方法與結(jié)果能為基于鱘魚的仿生翼型設(shè)計(jì)與優(yōu)化等方面的研究提供借鑒。
【圖文】：

為基于水動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的仿生翼型設(shè)計(jì)提供參考。1.1.1 課題研究背景生物經(jīng)過數(shù)萬年的優(yōu)勝劣汰的自然選擇，進(jìn)化出了與生存的自然環(huán)境相契合的獨(dú)特的功能特征，經(jīng)過大自然的篩選而生存下來的生物特征，正是人類應(yīng)用在科學(xué)技術(shù)上的靈感來源。人類向大自然，特別是生物界不斷的學(xué)習(xí)，以此來優(yōu)化、解決人類科技、生活、社會(huì)發(fā)展等諸多方面面臨的問題。仿生學(xué)是將生物界發(fā)現(xiàn)的規(guī)律以及機(jī)理應(yīng)用到工程應(yīng)用領(lǐng)域從而解決問題的一門綜合性的交叉學(xué)科，同時(shí)利用生物系統(tǒng)構(gòu)造和生命活動(dòng)過程作為技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的依據(jù)，針對(duì)性地進(jìn)行模仿。仿生學(xué)從誕生至今，已經(jīng)在諸多科學(xué)及工程應(yīng)用領(lǐng)域取得了相當(dāng)多的成果，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和工程實(shí)際的需求，，在眾多的工程技術(shù)領(lǐng)域也相應(yīng)地開展了對(duì)口的技術(shù)仿生研究。例如，航海部門對(duì)水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)流體力學(xué)的；航天部門對(duì)鳥類、昆蟲飛行的模擬及動(dòng)物定位與導(dǎo)航研究；無線電技術(shù)部門對(duì)于生物神經(jīng)細(xì)胞、感覺器官和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬；計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于腦的模擬及生物智能的研究等[1]。

Fish[2, 3]等認(rèn)為這種生物結(jié)構(gòu)能夠減小游動(dòng)的阻力，與此同時(shí)，Miklosovi也論證了這種發(fā)現(xiàn)。王國付[5]等人發(fā)現(xiàn)球形結(jié)節(jié)的翼型在一定程度上減小而且還能提高升力，如圖 1.1 所示。奔馳汽車公司以一種熱帶的箱魚xfish)做為仿生的原型，設(shè)計(jì)并且制造出一輛仿生汽車，在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中測(cè)得數(shù)僅為 0.19。2 鱘魚體特征分析及仿生意義鱘魚是屬于鱘科（Acipenseridae）的 27 種魚的常見名稱。他們的進(jìn)化可大約在 2.45 到 2.08 億年前的三疊紀(jì)。鱘魚已經(jīng)在水下環(huán)境中生活了數(shù)億早已進(jìn)化出了適應(yīng)水下環(huán)境的身體結(jié)構(gòu)[6, 7]。與其他水生脊椎動(dòng)物相比，有部分類似的身體結(jié)構(gòu)和外觀。比如類似于鯊魚的異型尾鰭，以及細(xì)長(zhǎng)的且符合空氣動(dòng)力學(xué)的流線型身體，光滑皮膚，全身沒有鱗片。但是，除此有著些許不同的構(gòu)造，例如：鯨類（鯨魚，海豚，鼠海豚等）在吻突后面突出的前額[8]，但是鱘魚卻沒有，如圖 1.2 所示鱘魚的身體結(jié)構(gòu)。因此鱘部區(qū)域可能產(chǎn)生的阻力較小。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：Q811;TK72

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本文編號(hào)：2611603