撲翼翼型流體動力特性數值計算與分析

潘 光, 鐘如意, 宋保維, 曹永輝

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撲翼翼型流體動力特性數值計算與分析

潘 光, 鐘如意, 宋保維, 曹永輝

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

利用對海洋生物運動方式及其運動器官的研究開發水下撲翼推進裝置是仿生推進技術的一個重要研究方向。本文通過數值計算方法, 以對稱翼型為主, 開展對撲翼翼型的推力和升力特性的研究, 分析了各翼型在不同斯德魯哈數下的力學表現, 以及翼型和相關參數對撲翼推進效果的影響。計算結果表明, 翼型撲翼運動時的最大推力系數、平均推力系數和最大升力系數3個參數均與中心弦長比成線性遞減關系, 翼型參數和工況對翼型的推力和升力特性均有不同程度的影響。

撲翼推進; 翼型; 推力系數; 升力系數; 斯德魯哈數; 數值計算

0 引言

近年來通過對水生生物的仿生學研究發現,海龜、海豚、企鵝以及各種魚類等海洋生物主要依靠鰭狀肢或尾翼的劃水產生動力, 盡管這些生物體形不一, 但是他們卻具有爆發力強、機動性高、穩定性好等共同特點。國內外學者們對此進行了大量研究, 也取得了一些仿生推進的研究成果。目前比較有代表性的有加拿大的移動機器人AQUA[1]、麻省理工學院(massachusetts institute of technology, MIT)研制的仿生撲翼水下機器人Fla- pping foil AUV[2]和機器金槍魚RoboTuna[3]、加拿大的仿生機器海龜Madeleine[4]、美國DUKE大學的仿生撲翼水下機器人Gamera[5]、美國海軍水下戰中心(naval undersea warfare center, NUWC)研制的仿生撲翼水下航行器[6]等樣機以及一些理論或試驗研究成果。與螺旋槳推進技術相比, 水下仿生撲翼推進技術屬全方向矢量推進方式, 具有機動靈活、推進噪聲低、穩定性好等特點, 可在狹窄、復雜的水下環境中實現精確運動。因此, 基于對海洋生物運動方式及其運動器官的研究, 開發水下撲翼推進裝置也是仿生推進技術的一個重要研究方向。

本文主要以海龜鰭狀肢等的撲翼運動為研究對象, 通過數值計算, 揭示撲翼在不同翼型和運動參數下以及不同流場環境里的力學特性, 以豐富水下撲翼推進理論, 同時為撲翼航行器的研制提供理論基礎。

1 翼型分析

對于海龜前肢截面形狀的研究在國內外已有人進行過。文獻[7]中通過采用影像剖析方法對海龜前肢進行的截面形狀描繪發現, 海龜前肢截面形狀近似對稱, 前沿較鈍, 后沿較薄, 不同截面的相對厚度和前沿半徑隨其離海龜肩部的距離的增大而減小, 如圖1所示。而對于魚類尾鰭, 文獻[8]的研究表明, 金槍魚尾鰭的形狀在中央近似為NACA0015, 而在末端近似NACA0009。因而, 本文以對稱翼型為主開展撲翼翼型對其推力和升力特性影響的研究。

圖1 海龜前肢截面形狀

2 運動方程與力學分析

根據圖2所示的坐標系定義, 撲翼二自由度諧振運動模型的角位移表達式為

斯德魯哈數用來定義撲翼撲動速度相對于來流速度的大小[9], 其一般表達式為

平均推力和升力分別為

式中:()是推力方向(水平)的瞬時推力;()是升力方向(豎直)的瞬時升力;表示包括一定整數個數來回撲動所持續的時間。平均推力系數和平均升力系數的定義如下

3 數值計算模型

本文基于FLUENT軟件的動網格計算技術對撲翼在水中的動態運動過程進行計算, 并使用非結構化的三角形網格來進行計算域的網格劃分, 為提高計算精度, 對撲翼的近壁面網格作細化, 為提高動網格的更新質量, 設置交界面以區分不同流場域。生成的初始流場網格如圖3所示, 計算域尺寸為1 500 mm×800 mm, 計算條件和邊界設置如表1所示。

圖3 計算域網格劃分和邊界設置

Fig 3 Grid of computational field and boundary condi- tion

表1 邊界參數與計算條件設定

4 仿真結果與分析

4.1 運動中心位置對翼型流體動力特性的影響

撲翼在運動時, 需要繞翼板上的某點進行翻轉運動和上下拍水運動, 該點的位置即為撲翼的運動中心, 如圖4中的點, 它的所在位置對于撲翼的水動力特性可能存在影響。因而, 在此有必要先對此進行研究。表2為計算工況, 根據式(4)可知, 此時=0.39。

圖4 撲翼運動的運動中心點示意圖

表2 計算工況

計算結果表明, 撲翼運動產生的峰值推力系數Cmax, 平均推力系數C和峰值升力系數Cmax均隨X增大而下降, 平均升力系數C則無統一變化規律, 如表3所示。

對以上數據的分析和擬合后發現,Cmax,C和Cmax均與X成線性關系, 如圖5所示, 其近似關系如式(9)~式(11)。

Cmax=-8.124 1 X+ 8.733 1 (9)

C=-5.778 3 X+ 4.709 8 (10)

Cmax=-12.978 7 X+ 15.476 8 (11)

圖5 峰值推力系數CT,max, 平均推力系數CT和峰值升力系數CL,max與中心弦長比Xoc的線性關系

4.2 幾種翼型的撲翼水動力特性

4.2.1 不同頻率時各翼型撲動水動力特性

由式(4)可知, 當0.2<<0.4時, 2.1<<4.11。計算結果表明, 簡諧運動驅動時各翼型撲動產生的推力和升力仍服從正弦波動規律。對不同翼型撲動產生的推力系數和升力系數進行擬合, 得到Cmax,C,Cmax和C關于的擬合曲線圖, 如圖6~9所示。

由圖6和圖7可以得到, 1) 隨著的增大, 各翼型的Cmax和C均相應增大; 2) 在相同下, 同類翼型中最大厚度(以下用參數表示)越小的翼型Cmax越大, 且具有相同的對稱翼型比非對稱翼型Cmax更大; 3) 在較小時, 同類翼型中不同的翼型C對比沒有明顯的規律, 但當達到一定值時,越大的翼型C越大, 且具有相同的對稱翼型和非對稱翼型C差別不大。

由圖8和圖9可以得到, 1) 隨著的增大, 各翼型的Cmax相應增大,C則沒有一定規律; 2) 相同下, 同類翼型中越小的翼型Cmax越大,且具有相同的對稱翼型相比非對稱翼型Cmax更大; 3) 在相同下, 同類翼型基本符合越小的翼型C越大, 且具有相同的對稱翼型相比非對稱翼型C更大。

圖6 CT,max關于撲翼參數f的變化關系

圖7 CT關于f的變化關系

圖8 CL,max關于f的變化關系

圖9 平均升力系數CL關于f的變化關系

4.2.2 不同來流速度時各翼型撲動水動力特性

圖10 CT,max關于來流速度U￥的變化關系

圖11 CT關于U￥的變化關系

圖12 CL,max關于U￥的變化關系

圖13 CL關于U￥的變化關系

5 結論

由上述分析不難發現, 在0.2<<0.4時:

1) 翼型撲翼運動時的Cmax,C和Cmax3個參數均與中心弦長比X成線性遞減關系。

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Numerical Computation and Analysis on Hydrodynamic Characteristics of Different Profiles of Flapping Foil

PAN Guang, ZHONG Ru-yi, SONG Bao-wei, CAO Yong-hui

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

This paper mainly addresses the thrust and lift characteristics of underwater symmetrical flapping foils by using the numerical computation method, analyzes the hydrodynamic of the flapping foils with different Strouhal numbers, and summarizes the influences of the profile parameters and related factors on the flapping foils′ propulsive effect. The results show that the maximal thrust coefficient, the average thrust coefficient and the maximal lift coefficient decrease linearly with increasing ratio of motion centerto chord length; the parameters of profiles and the working conditions have different effects on the thrust and lift characteristics of the foils.

flapping foil propulsion; profiles; thrust coefficient; lift coefficient; Strouhal number; numerical computation

TJ630.1; TP24

A

1673-1948(2012)01-0009-05

2011-06-24;

2011-09-07.

西北工業大學基礎研究基金(G9KY1009).

潘 光(1969-), 男, 教授, 博士生導師, 主要研究方向為流體力學、水下航行器總體設計、操縱性與彈道和水下航行器特種減阻技術等.

(責任編輯: 陳 曦)