近自由面三維振動翼水動力研究.pdf

1、振動翼機(jī)構(gòu)的研發(fā)靈感來自人類對魚的尾鰭和鳥的翅膀的長期觀察，振動翼的推進(jìn)效率高，能提供很大的瞬時升力，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。利用振動翼裝置能推進(jìn)、控制和穩(wěn)定作用的基本原理可對船舶在波浪中的運動進(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。振動翼裝置的開發(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翼是指船用機(jī)翼在水中以不變的航速前進(jìn)同時也進(jìn)行純升沉運動、純縱搖

2、運動或升沉-縱搖耦合運動的機(jī)翼。本文研究的三維振動翼的水動力性能是研究三維水翼在作大幅度運動時的非定常流體動力性能。本文提供了分析三維水翼的水動力性能的理論基礎(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，針對數(shù)值求解過程中存在的積分奇異問題，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)用于圓球繞流的計算，隨后對無限域中三維水翼的水動力性能進(jìn)行了計

3、算與分析。當(dāng)水翼靠近自由面航行時，自由面對水翼性能的影響是不可忽視的。為此，本文發(fā)展了一種非定常時域算法，計算了近自由面航行的三維水翼的勢流場。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。文中對不同航速、展長及浸深下的水翼水動力性能進(jìn)行了計算，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動時的水動力特性，采用組合翼模型進(jìn)行了試

4、驗研究。對試驗所采用的組合翼模型的水動力性能進(jìn)行了數(shù)值計算，考慮了組合翼間的相互影響問題，其中在自由面采用非線性自由面邊界條件。將數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。
　　 本文采用非定常邊界元法基于格林定理構(gòu)建了振動翼計算模型，采用時間步進(jìn)法在時域中進(jìn)行計算，在尾渦面上應(yīng)用等壓Kutta條件并通過Newton-Raphson法進(jìn)行迭代求解，對無限域振動翼的水動力特性進(jìn)行了計算和研究。分別對做純升沉、純縱搖和升沉縱搖耦合運動的振動

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