仿双髻鲨头部的仿生机器鱼外型设计及其流场特性

近年来对海洋资源的开发利用成为了社会的研究热点, 推动了国内外学者关于水下航行器各方面的研究工作. 其中航行器的外形设计是研究中较为重要的一部分, 直接影响其在水中行进时所表现流体性能的优劣. 自然界中存在的各种鱼类以其阻力性能好等优点吸引了科研工作者广泛关注. 为设计流体性能较好的航行器壳体外形, 本文将目光放在了双髻鲨身上, 它的头部就像一个水中翼, 帮助其在海洋中灵活的游动. 本文以其为仿生的对象, 首先建立模型分析了3种不同双髻鲨的头部减阻效果, 选定锤头双髻鲨的生物形体特征作为壳体外形特征曲线, 并结合工程实际设计了一种仿生机器鱼外形, 应用Ansys Mosaic 技术建立三维流场结构化网格模型, 对其进行Fluent仿真. 随后与目前主流的翼型壳体外形和回转体航行器外形进行对比, 重点研究其减阻性能. 通过仿真分析得出, 与上述两种常见的水下航行器相比, 仿双髻鲨模型在定常流场中表现出更优秀的流体性能. 本文还探究仿双髻鲨模型周围流场的特性, 对于减少航行器对周围流场干扰方面和改善航行器隐蔽性方面的研究有一定的指导意义, 同时也为水下航行器的设计提供新的方向.      

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 在条纹沟槽表面减阻的研究发展及其优点的基础上 对条纹沟槽表面减阻进行水洞实验,研究在航行器外表面加工条纹沟槽所具有的阻 力特性. 通过对光体、0.1mmV型条纹沟槽表面和0.2mmV型条纹沟槽表面3 种不同模型在零攻角、不同水流速度下进行阻力测量, 测得条纹沟槽表面减阻特 性曲线. 从特性曲线中可以看出减阻效果约为8.3%. 实验的结果表明, 条纹沟槽 表面能明显降低水下航行器的阻力.     

基于滑移理论的超疏水表面减阻性能分析

采用滑移理论计算和数值模拟方法研究超疏水表面的减阻性能.层流流动状态的数值模拟和理论计算结果的一致性较好,并可证明滑移速度与通道内流体速度之比与无量纲压降比的数量级相当;湍流状态的数值仿真结果表明,在目前可实现的滑移速度范围内,超疏水表面对水下航行器的流体阻力影响不显著.     

基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。     

脊状表面航行器模型减阻特性的风洞实验研究

针对航行器提高航程和航速的需要,开展脊状表面湍流边界层减阻的实验和数值仿真研究。在航行器模型的外表面加工具有特定形状、尺寸的脊状结构,导致湍流边界层的流动稳定性增强,壁面摩擦阻力降低。在风洞中对具有光滑表面和脊状表面的航行器模型在不同风速和攻角下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,具有横向脊状表面的航行器模型在一定来流速度范围内具有很好的减阻效果,实验获得的最大减阻量为23.5%。数值仿真结果则发现,在脊状结构内形成了稳定的"二次涡",边界层内湍动能和湍流猝发强度降低,很好地揭示了减阻机理。     

超空泡航行器升沉运动流体动力特性研究

基于Rayleigh—Plesset方程的单一介质可变密度Mixture模型,采用动坐标系法完成了对带空泡航行器作升沉运动时空化流场的数值模拟,并分析了该状态下航行器流体动力特性变化规律,对升沉运动频率和幅值对航行器流体动力系数的影响以及升沉运动对航行器自主运动弹道的影响进行了对比研究。研究结果表明,升沉运动过程中,航行器流体动力系数出现周期性变化,增加升沉运动频率和幅值不仅将导致航行阻力和升力增大,同时会造成阻力系数和升力系数幅值波动加剧;升沉运动使航行器速度及角速度出现周期性震荡。本文结论为研究超空泡航行器动力学建模、附加质量计算及弹道设计奠定了基础。     

翼型空化绕流数值研究

空化是发生在流体机械上的复杂过程，理论研究遇到很大困难。本文引入合适的空化数值模型，将空腔界面近似为自由面，用界面构造精度较高的流体体积方法求解空腔位置，通过直接求解原始变量的NavuerStokes方程，数值模拟了无界域中空化在翼型上发生、发展和脱落的周期过程；并分析了空化产生对翼型表面的压力分布、翼型收到的阻力和升力的影响。结果表明，空化出现在翼型上表面；由于空化的产生，翼型表面压力分布不稳定，导致升力、阻力和流场压力出现波动，这是实际中产生噪声和损失的主要原因。     

船行波

船舶航行时,由船体对水的作用产生压力变化而形成的表面水波,称为船行波。因为在船的首部和尾部水流压力变化最大,所以在那里产生的波浪也最明显.由于产生波浪常需要能量,所以船行波越明显,船舶兴波阻力也往往越大。船舶兴波阻力的大小不仅和船速有关,而且还和船型有密切关系。随着航速的提高,兴波阻力占船舶总阻力的比例不断上升,高速舰船的兴波阻力可达到总阻力的50％以上。因此,如何应用消波的方法,减弱或消除船行波,从而减小兴波阻力以进一步提高航速,就成为一个很有现实意义的问题。     

局部行波对流的时空结构

通过流体力学方程的数值模拟,研究了矩形腔体长高比Γ(28)20和混合流体分离比ψ(28)-0.4的无缺陷的局部行波对流和有缺陷的局部行波对流的特性。结果表明:局部行波可以存在于腔体左端壁附近,也可以存在于右端壁附近,但传播方向始终在背离端壁面的方向,对流存在区间长度随着相对瑞利数r的增加而增加;沿着对流分叉曲线增加r,当r超过临界值后,系统从无缺陷的局部行波过渡到有缺陷的局部行波状态;对于流体参数,无缺陷的局部行波存在于r∈[1.519,1.600],有缺陷的局部行波存在于r∈(1.600,1.670];有缺陷的局部行波中对流区间长度随着r增加基本保持为常数;缺陷出现在腔体中的相对位置基本不变,距背离传播方向的端壁5.8左右,缺陷出现的周期随着r增加呈增加趋势,腔体的长高比足够大是出现有缺陷的局部行波的一个必要条件。     

近壁流场的热线测速问题

近壁流动或称粘性底层的流动是流体力学重要的研究课题之一,它关系到固体表面和流体之间传热、传质;流动阻力和人工减阻;以及边界层中湍流的猝发和发展等物理机理的研究.本文对本课题的研究现状做了较好的总结,并对今后近壁流动的研究工作提出了自己的看法.