水下机器人舵翼参数设计与优化

为获取高升力系数和升阻比的舵翼外形特征参数,本文以某型水下机器人舵翼为研究对象,将其表征量简化为展弦比、梢根比、前缘后掠角、攻角和剖面翼型5个设计参数。采用计算流体力学方法(CFD)模拟了流速为2 kn时,平板翼型厚度为6 mm的常见平面形状舵翼在不同来流下的流场情况,得到舵翼平面形状参数与其水动力性能和铰链力矩之间的变化规律和相对灵敏度,并对基于径向基函数模型(RBF)的优化结果进行分析,随后对比了不同剖面翼型对舵翼性能的影响。研究结果表明:攻角为6°左右时,舵翼可获得最佳水动力性能;剖面翼型对舵翼的水动力性能有较大影响,NACA00xx系列翼型可以显著提升舵翼的升阻比,并且翼型厚度越小,性能越佳;舵翼面积一定的条件下,后掠形舵翼具有优良的水动力性能,但铰链力矩较大;攻角较小时,梯形舵翼表现出较好的水动力性能,铰链力矩很小;攻角较大时,切尖三角形舵翼水动力性能与后掠舵翼基本持平,铰链力矩适中。     

尾缘柔性变形对翼型水动力学性能的影响

流体机械柔性叶片特有的性能引起越来越多的关注,柔性叶片潮流能水轮机因叶片自适应变形,具有不同于刚性叶片水轮机的水动力学性能。首先从二维层面分析柔性尾缘变形对翼型水动力学性能的影响。利用ANSYS对创建的柔性叶片模型进行静力学分析,获得翼型截面变形后的节点数据,建立变形后的翼型模型。利用CFD仿真软件,采用k-ωSST的湍流模型,对比分析原始翼型和变形后翼型升阻力系数、表面压力系数分布及流场变化。结果表明:尾缘柔性变形对翼型性能有较大影响,适当变形可以提高翼型的升力系数;变形后翼型升阻比在一定攻角下大于原始翼型,有利于改善原始翼型的水动力学性能。     

基于改进LHS方法的翼型水下滑翔机水动力外形优化

针对如何获得翼型水下滑翔机最佳升阻比外形这个问题,提出了基于改进拉丁超立方抽样方法的翼型水下滑翔机外形优化方法。分别应用中值拉丁超立方抽样方法和改进拉丁超立方抽样方法从翼型水下滑翔机参数化模型中进行二次取样,利用计算流体力学(CFD)方法计算其在水中做匀速运动时的升力系数和阻力系数,获得翼型水下滑翔机优化模型。对比改进拉丁超立方抽样方法和中值拉丁超立方抽样方法的优化结果表明:在相同样本数量条件下,改进拉丁超立方抽样方法可以获得更好的优化结果。     

波浪滑翔机推进装置翼片的启动阶段水动力学分析

波浪滑翔机直接利用波浪能实现大范围长距离的机动运动观测,在海洋环境观测中可以发挥重要的作用。本文对波浪滑翔机推进装置在启动阶段的翼片的水动力学行为进行了研究。以波浪滑翔机水下推进装置的翼片为研究对象,运用雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),对给定垂荡和摆动运动的翼片水动力学进行了水动力分析和仿真,模拟了单个翼片、纵向阵列多翼片的运动状况,得到推进装置翼片附近的压力分布和整体推进动力,分析翼片间距变化在启动阶段对推进力的影响作用。通过该研究工作为深入理解波浪滑翔机推进装置工作状态提供了理论依据。     

考虑转捩影响的潮流能水轮机翼型水动力学性能数值模拟

为了更准确地模拟潮流能水轮机的水动力学性能并研究边界层转捩对水轮机翼型水动力学特性的影响,本文采用κ-ε湍流模型以及γ-Re_θ转捩模型对水轮机翼型水动力学性能进行了考虑转捩的数值模拟。在进行转捩模拟时通过CFD软件的UDF接口将转捩经验关系式导入求解器中,在-5°～25°攻角范围内对水轮机翼型的水动力学性能进行了数值模拟。比较湍流模拟与转捩模拟下水轮机翼型的升阻力系数以及流场特征,结果表明:对水轮机翼型水动力学性能进行全湍流模拟时在小攻角范围内忽略了转捩前的层流状态,导致湍流模拟所得到的升力系数小于使用γ-Re_θ转捩模型的转捩模拟所得的升力系数;阻力系数则大于转捩模拟所得的结果;相比于全湍流模拟,转捩模拟时会更早的进入深失速状态。     

不同攻角下投弃式海流剖面仪流体动力特性研究

对投弃式海流剖面仪(eXpendable Current Profiler,XCP)不同攻角下流体动力特性进行数值模拟,分析了XCP探头流场压力分布与运动趋势的关系.研究了不同攻角下XCP探头阻力系数和升力系数的变化规律.研究表明,攻角能够明显改变流场的轴对称性.0°～10°攻角下,XCP探头阻力系数和升力系数随攻角增...     

无人帆船柔性风帆性能的流固耦合仿真分析

为了探究柔性风帆在不同风况下的变形结果及变形对气动性能的影响,本研究中进行柔性风帆性能的流固耦合仿真分析：构建1.4 m无人帆船主帆初始形状模型和材料模型,并基于LS-DYNA程序对柔性风帆在不同攻角下进行变形计算,构建变形后的风帆形状;基于STAR CCM+程序在相同条件下对变形风帆和初始风帆进行气动性能计算。结果表明：柔性风帆变形结果主要表现为拱度变化和有效攻角变化,材料本身的拉伸对拱度变化的影响可以忽略不计;当拱度增大带来的升力增大效应强于有效攻角减小带来的升力减小效应时,升力总体上为增大;变形风帆的升力系数随着攻角的变化而更为合理、升阻更大;根据变形风帆的极曲线,获得不同航向角下的最佳攻角和最大推力系数,适用于优化柔性风帆无人帆船横风航行时的控帆策略。     

大尺度人工岛沉箱浅水波浪中充气拖航阻力特性探讨

本文对大尺度圆形人工岛沉箱在浅水波浪中低速充气拖航状态下的阻力特性进行了理论分析和计算,指出其阻力以形状阻力为主,而波浪中阻力增值相对较小,但变化规律复杂。对照其模型阻力试验结果,提出了该形状物体的阻力近似计算公式并给出了相应的系数。     

基于大涡模拟的波状前缘水翼空化抑制研究

为了降低空化造成的水动力性能损失,基于仿生学原理,参考座头鲸鳍肢剖面形状,将前缘波浪构型引入到水翼设计中,研究波状前缘水翼的非定常空化特性,并探究前缘参数改变对空化控制的效果和规律。选用NACA63₄-021水翼为基准模型,进行前缘参数化重构,设计出3种不同的波状水翼进行对比研究。采用大涡模拟（LES）方法对空化流场进行精细化数值模拟,针对基准水翼和不同波幅与波长参数下的波状水翼开展了空化周期、升阻力系数、压力脉动以及流向涡结构的对比分析。结果发现,波状水翼在抑制空化和降低压力脉动方面都取得了显著效果。其中,3种不同的波状水翼空化抑制率分别为15.7%、18.6%和27.9%,压力脉动幅值分别降低了55.3%、67.3%和74.6%。分析表明,波浪前缘的引入使得空化的分区效应更加凸显,空化从波谷处初生,增大波幅或减小波长都可以加强对空化的抑制效果,并可以提高升力系数以及显著降低水翼表面的压力脉动。前缘波浪构型还将诱发向下游发展的对转涡结构,不同前缘参数的波状水翼涡结构的演化是相似的,空泡发展与溃灭的整个过程对涡结构的发展也具有显著影响。     

西藏枝角类一新种

雌性特征 体长0.45—0.4毫米。体略呈长方形,外形与点滴尖额溞(A.guttatSars)相似。透明浅黄色。壳瓣背缘稍微拱起,中部最高;后缘略向外凸出,其高度约为最大壳高的4/5;腹缘较平直,中部微凹,全缘列生刚毛。后背角不明显;后腹角浑圆无刻齿。壳纹纵行。 头部不大。吻部钝,伸向前方。单、复眼形状一般。第一触角呈棒形,不超过吻尖,前侧具一根触毛,末端为一束长度相仿的嗅毛。第二触角游泳刚毛序式:0—0—3/4—1—3。     

考虑挡板对空化脱落的抑制效应数值分析

激波和回射流是空化脱落的两种主要机制，在相同攻角下，空化数越大，回射流对空化脱落的效果就越明显。为了研究长度不同、布置方式不同的挡板对空化回射流和空化脱落的抑制效应，分别在平板和水翼的吸力面添加挡板，用来阻挡逆流而上的回射流，从而观察空化脱落的情况。数值模拟采用一种新修正的稳定化SST k-ω湍流模型，空化模型则选取了比较常用的Schnerr-Sauer空化模型。研究结果表明：在水翼吸力面布置恰当的挡板可以以较小的阻力代价换取巨额的升力提升，从而提高升阻比，提高水翼的效率，同时挡板的存在可以有效地减小片空泡的脱落和云空化的产生。     

大深度水下滑翔机总体设计

水下滑翔机(Autonomous Underwater Glider，AUG)是一种浮力驱动的自主水下航行器 (Autonomous Underwater Vehicle，AUV)，通过调整滑动质量块来改变重心与浮心的相对位置，从而控制自身的运动姿态。完成了水下滑翔机的外形设计，同时，对其各系统组成部分进行了初步设计与布局。利用 MATLAB 软件基于计算得到的流体动力参数对滑翔机进行运动特性分析，得出定常运动状态下攻角、俯仰角和水平速度等参量随重心水平位移和净浮质量之间的关系。最后使用 Simulink 软件对垂直面内滑翔机的运动模型进行弹道仿真，验证了水下滑翔机总体设计方法的有效性和可行性。     

船体摆式波能转换装置外形优化

为提高波能转换装置的生存能力,提出了一种新型的船体摆式波能转换装置:将所有活动部件封装在船体中,避免海水腐蚀;装置漂浮在海上,依靠船体与内部摆的相对转动转换能量,减少海工结构成本,便于拖曳回港口维修;采用液压PTO将机械能转换成电能输出。使用Fluent软件搭建数值波浪水槽,分析抛物线、双曲线、椭圆三种外形装置的水动力特性,并进行外形优化,结果表明:三种外形的船体摆式波能转换装置在波浪中均能够产生垂荡、纵荡、纵摇运动的动力,发电原理可行;船体采用不对称结构能够对波浪起到截止作用,减小能量向后辐射,光滑曲线外形可以减小旋涡造成的能量损失;椭圆形船体能够获得更大的纵摇水力矩,捕能效果更好。     

动波浪壁圆柱绕流三维数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent开展了三维动波浪壁圆柱绕流的数值模拟,建立了三维运动波浪壁圆柱模型,通过C语言自编程序实现波浪壁面的运动控制,并保证壁面变形时网格的高质量。在来流速度u=0.125 m/s、雷诺数Re=12 500的情况下,开展了动波浪壁波动速度w=0、0.062 5、0.125、0.187 5 m/s四个工况的计算分析,并比较了不同波动速度对流场结构、升力、阻力特性的影响。结果表明:动波浪壁圆柱能有效抑制流动的分离,消除交替脱落的尾涡,从而消除周期振荡的升力;在消除卡门涡街的同时,圆柱后驻点处的涡量值随波动速度增加而增加,其原因在于波形移动加大了壁面流体的速度,从而减小了圆柱前后的压力差,减小了阻力;随着波动速度的增大,平均阻力系数呈明显下降趋势,当波动速度为来流速度的1.5倍时,平均阻力系数相对于光滑圆柱下降了53.76%。     

小波浪高雷诺数时垂直桩柱的波流力

本文在0.45×105≤Re≤5.5×105,2.94≤KC≤7.85的范围内实验研究了作用于垂直桩柱上的波浪力,比较了阻力系数和惯性力系数在不同雷诺数区域之中的异同,分析了桩柱升力的频率特性,给出了考虑桩柱振动影响在内的桩柱阻力及升力自功率谱的数学表达式.     

椭圆度-凹坑双缺陷海底管道局部屈曲特性研究

海底管道在制造、埋设以及使用过程中极易产生椭圆度-凹坑双缺陷,双缺陷影响管道局部屈曲,对含椭圆度-凹坑双缺陷海底管道的局部屈曲特性研究十分必要。现行规范中采用等效椭圆度对含椭圆度-凹坑海底管道进行评估,该方法无法准确评估不同缺陷形式的屈曲特性。采用形状系数对含椭圆度-凹坑双缺陷的海底管道进行评估,运用有限元软件ABAQUS进行数值模拟,并进行试验验证。在此基础上对含有不同凹坑深度、不同椭圆度的海底管道进行局部屈曲的数值模拟,计算不同形状椭圆度、含有不同凹坑深度海底管道的形状系数,对其进行敏感性分析。计算结果表明:形状系数对海底管道椭圆度、凹坑深度、径厚比敏感性较强;对凹坑宽度敏感性较弱。     

波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析

为满足对远洋环境进行长时间、大范围监测的实际需求,设计提出一种波浪动力滑翔机,该设备是一种无需携带能源即可实现自主航行的新型海洋监测平台,其主体结构由水面母船、水下牵引机和柔性缆绳三大部分组成。平台通过即时获取海洋中的波浪能、太阳能、风能作为行走的动力源,克服了传统海洋监测设备在能源供应上存在的短板。为进一步提升水下牵引机对波浪能的利用率,采用Ansys软件中的Fluent模块对水下牵引机进行水动力仿真研究,分析了侧翼板形状、侧翼板工作最大摆动角度以及侧翼板安装分布间距对滑翔机总体行走效率的影响。结果表明:NACA翼型侧翼板具有更好的水动力性能;随着最大摆动角度的增加,水下牵引机的推进效率先增大后减小,最大摆角在20°左右时,推进效果最佳;随着侧翼板分布间距的增大,水下牵引机的推进效率逐渐减小,分布间距在80 mm左右时,推进效果最佳。     

聚焦波作用下平面网衣结构的水动力特性研究

由于沿海区域的限制以及愈加严重的环境污染,渔业养殖正从近海走向深远海。深远海海域的海况更加恶劣,给养殖装备的设计与性能评估带来新的挑战。为解决该问题,对极端波浪与养殖装备网衣结构的相互作用开展研究。基于waves2Foam建立数值波浪水池,极端波浪模拟采用基于NewWave理论的聚焦波模型,网衣结构模拟采用多孔介质模型,并通过与Morison模型计算的网衣受力等效分析,获得多孔介质模拟网衣结构阻力系数的直接估计方法。然后将多孔介质模型嵌入waves2Foam中,开展聚焦波与网衣结构相互作用的数值模拟,同时开展水槽试验,验证数值模拟的准确性。基于数值模拟结果,系统地分析了不同网衣密实度及不同波浪参数下网衣结构的升阻力特性以及网衣结构对波浪场的扰动规律。研究表明：聚焦波波峰幅值和网衣密实度对网衣结构的升阻力影响较大,且升力峰值出现在阻力为0的时刻;网衣结构对聚焦波的时空演化特性有影响,改变了聚焦波波形。     

基于粘性流模型的筒型基础防波堤波浪力数值分析

筒型基础防波堤是一种新型港口海岸工程结构,其基础上部是由连续排列的圆筒构成的直立防浪墙.采用粘性流数值模型,研究连续圆筒防波堤上波浪力竖向分布、水平(沿圆筒环向)分布和波浪力合力特性,并对粘性流数值模型计算的平面直墙波浪力与海港水文规范方法计算结果;粘性流数值模型计算的连续圆筒墙面波浪力与平面直墙波浪力;无限长连续圆筒墙面波浪力与有限长连续圆筒墙面波浪力进行比较分析.针对所选工程算例,建议按<海港水文规范>中平面直墙波浪力计算方法确定连续圆筒防波堤上的波浪力时,波峰时考虑0.90左右的折减系数,波谷时考虑0.95左右的折减系数.     

潮流发电帆翼式柔性叶片水轮机实验研究

潮流发电水轮机是海洋潮流能发电系统的核心组成部分.帆翼式柔性叶片水轮机是一种全新水流发电装置,叶片由柔性材料制成,在流体力作用下自动调节攻角,能充分利用流体的升力和阻力效应做功.以帆翼式柔性叶片水轮机获能系数为研究目标,采用因次分析法初步分析可能影响获能系数的因素,通过模型实验对叶片弧弦比、叶片边弦比、叶片密度与获能系数的关系进行研究.不同结构形式转子存在不同叶片弧弦比最佳值,叶片边弦比愈大,获能能力愈强;在一定范围内,叶片密度较小时,获能与起转能力强,转速波动性较大,适用于低流速工况;反之获能与起转能力弱,稳定性较好,电能质量较高,适用于高流速工况.最后提出优化方案,实验证实优化后水轮机在获能能力和发电能力上均有所提高.