近自由面三維振動(dòng)翼水動(dòng)力研究.pdf

1、振動(dòng)翼機(jī)構(gòu)的研發(fā)靈感來(lái)自人類(lèi)對(duì)魚(yú)的尾鰭和鳥(niǎo)的翅膀的長(zhǎng)期觀察，振動(dòng)翼的推進(jìn)效率高，能提供很大的瞬時(shí)升力，在推進(jìn)、低速操縱以及航態(tài)穩(wěn)定控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用振動(dòng)翼裝置能推進(jìn)、控制和穩(wěn)定作用的基本原理可對(duì)船舶在波浪中的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，提高船舶耐波性，改善船舶的穩(wěn)定性、快速性等航行性能。振動(dòng)翼裝置的開(kāi)發(fā)在現(xiàn)行的船舶和新型高性能船的研發(fā)上均有很廣泛的應(yīng)用前景。本文研究的三維振動(dòng)翼是指船用機(jī)翼在水中以不變的航速前進(jìn)同時(shí)也進(jìn)行純升沉運(yùn)動(dòng)、純縱搖

2、運(yùn)動(dòng)或升沉-縱搖耦合運(yùn)動(dòng)的機(jī)翼。本文研究的三維振動(dòng)翼的水動(dòng)力性能是研究三維水翼在作大幅度運(yùn)動(dòng)時(shí)的非定常流體動(dòng)力性能。本文提供了分析三維水翼的水動(dòng)力性能的理論基礎(chǔ)、數(shù)值方法和算例，系統(tǒng)地進(jìn)行了研究。
　　 本文首先介紹了定常邊界元法的基本原理及求解步驟，針對(duì)數(shù)值求解過(guò)程中存在的積分奇異問(wèn)題，詳細(xì)推導(dǎo)了一種精確求解邊界元法中影響系數(shù)積分的公式。在此基礎(chǔ)上，將定常邊界元法應(yīng)用于圓球繞流的計(jì)算，隨后對(duì)無(wú)限域中三維水翼的水動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)

3、算與分析。當(dāng)水翼靠近自由面航行時(shí)，自由面對(duì)水翼性能的影響是不可忽視的。為此，本文發(fā)展了一種非定常時(shí)域算法，計(jì)算了近自由面航行的三維水翼的勢(shì)流場(chǎng)。該方法基于格林定理，將Rankine源和偶極子置于邊界面上，其中在自由面采用線性自由面邊界條件，在尾渦面上采用偶極子布置以滿足Kutta條件。文中對(duì)不同航速、展長(zhǎng)及浸深下的水翼水動(dòng)力性能進(jìn)行了計(jì)算，分析其所引起的自由面效應(yīng)的強(qiáng)弱。為研究三維水翼在近自由面運(yùn)動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力特性，采用組合翼模型進(jìn)行了試

4、驗(yàn)研究。對(duì)試驗(yàn)所采用的組合翼模型的水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，考慮了組合翼間的相互影響問(wèn)題，其中在自由面采用非線性自由面邊界條件。將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。
　　 本文采用非定常邊界元法基于格林定理構(gòu)建了振動(dòng)翼計(jì)算模型，采用時(shí)間步進(jìn)法在時(shí)域中進(jìn)行計(jì)算，在尾渦面上應(yīng)用等壓Kutta條件并通過(guò)Newton-Raphson法進(jìn)行迭代求解，對(duì)無(wú)限域振動(dòng)翼的水動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算和研究。分別對(duì)做純升沉、純縱搖和升沉縱搖耦合運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)

5、翼的水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，分析了振動(dòng)翼各個(gè)參數(shù)對(duì)其推進(jìn)性能的影響。由于在工程應(yīng)用中存在振動(dòng)翼近自由面運(yùn)動(dòng)的情況，因此在計(jì)算模型中考慮自由面的影響是項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義的工作。采用非定常邊界元法對(duì)近自由面振動(dòng)翼的水動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算和研究，基于格林定理構(gòu)建了近自由面運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)翼計(jì)算模型。該模型是在運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)翼表面以及自由面上同時(shí)布置Rankine源與偶極子，用時(shí)間步進(jìn)法模擬水翼的勢(shì)流場(chǎng)和自由表面波形。在自由面采用線性自由面邊界條件，在尾渦面上布置