新型波浪能滑翔器水下牵引机设计及研究

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作者 周玉婷 付平 +2 位作者 栾光旭 吴思杨 张明赛 《计算机与数字工程》 2025年第4期1179-1186,共8页

波浪能滑翔器是近些年新兴的海洋科学探索仪器,水下牵引机作为波浪能滑翔器的“火车头”,不仅能够作为能量转换器完成波浪能到动能的转化,还能配合机尾舵机来达到控制和引导水面母船的航行方向的目的,是波浪能滑翔器不可或缺的部分。论... 波浪能滑翔器是近些年新兴的海洋科学探索仪器,水下牵引机作为波浪能滑翔器的“火车头”,不仅能够作为能量转换器完成波浪能到动能的转化,还能配合机尾舵机来达到控制和引导水面母船的航行方向的目的,是波浪能滑翔器不可或缺的部分。论文选用Fluent软件对多组不同结构、不同迎角、不同流速的水翼进行流体模拟计算,通过多组参数数据分析对比多种水翼对水下牵引机的运动性能影响,从而达到对水翼进行最合理选型的目的,并对仿生水翼安装孔间距以及仿生水翼的最佳翻转角度进行研究,最终完成水下牵引机的整体结构设计。 展开更多

关键词 水下牵引机 仿生水翼 稳定性 流固耦合分析

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水下仿生翼型设计及其水动力性能研究

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作者 赵长青 王梦豪 +2 位作者 李健 许昊 孙铁志 《兵器装备工程学报》 北大核心 2025年第2期136-144,共9页

为了提升水翼的水动力性能,采用座头鲸鳍肢前缘波状结构作为设计参考,通过函数模型表达前缘型线,并结合新型翼型剖面,设计出一种新型仿生水翼模型。通过水洞试验,测量了仿生水翼和典型水翼的水动力性能,并采用数值仿真方法揭示了仿生水... 为了提升水翼的水动力性能,采用座头鲸鳍肢前缘波状结构作为设计参考,通过函数模型表达前缘型线,并结合新型翼型剖面,设计出一种新型仿生水翼模型。通过水洞试验,测量了仿生水翼和典型水翼的水动力性能,并采用数值仿真方法揭示了仿生水翼的增升减阻机理。试验结果表明:在雷诺数1.8×10^(5)至3.0×10^(5)范围内,仿生水翼展现出较为明显的增升减阻优势,其中升力性能最高提升14%,阻力性能最大优化47%。进一步深入分析数值结果并对比表面压力及流场结构可视化发现,与典型水翼相比,仿生水翼吸力面的低压峰值较高,前缘波状结构维持的高动量区显著减少了流动分离面积。此外,前缘型线的优化减少了由翼尖涡引起的诱导阻力,从而显著提升了水翼水动力性能。 展开更多

关键词 仿生水翼 增升减阻 流动分离 翼尖涡

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仿生水翼结构对空化抑制效果影响的数值分析 被引量：2

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作者 赵伟国 刘金晶 +1 位作者 张佳瑜 秦嘉伟 《排灌机械工程学报》 CSCD 北大核心 2024年第7期685-692,700,共9页

空化对流体机械表面造成高频脉动冲击,使其动力性能下降.为提高水翼的抗空化性能,研究水翼表面仿生结构参数对空化抑制效果的影响.采用SST-TM湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对不同参数仿生结构水翼的空化流场和水动力学特性... 空化对流体机械表面造成高频脉动冲击,使其动力性能下降.为提高水翼的抗空化性能,研究水翼表面仿生结构参数对空化抑制效果的影响.采用SST-TM湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对不同参数仿生结构水翼的空化流场和水动力学特性进行了数值模拟研究.探究仿生结构的弦向位置、宽度、角度对空化效果的影响,初步揭示空化抑制机理.结果表明:当仿生结构的弦向位置为L=0.3 C、宽度为b=0.15δmax、角度为θ=14°时抑制效果最明显,与原型水翼相比空泡数减少24%,水翼振动频率减小23%,升阻比提高4.73%,回射流厚度和强度明显减弱;随着仿生结构接近尾缘,吸力侧上的空化区先减小后增大,在空化充分发展的空腔末端设置仿生结构抑制效果最明显;存在最佳宽度参数使空泡体积数最少,最小压力系数增大明显,升阻比最大;仿生结构角度的增大能更好地增大水翼近壁面压力,同时也会引起旋涡的生成,加剧流场的不稳定性. 展开更多

关键词 NACA0015翼型 仿生结构 结构参数 数值模拟 空化被动控制

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波浪滑翔器弹簧水翼机构三维效应的分析与研究 被引量：1

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作者 孙秀军 马思源 +2 位作者 李灿 桑宏强 刘金成 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第4期527-540,共14页

为了评估波浪滑翔器弹簧水翼机构在波浪中三维效应对其动力学性能的影响,本文基于重叠网格技术建立波浪滑翔器弹簧水翼机构的数值计算模型,并利用CFD FLUENT软件对二维和三维水翼之间的动力学性能进行分析与研究。结果表明,由于三维水... 为了评估波浪滑翔器弹簧水翼机构在波浪中三维效应对其动力学性能的影响,本文基于重叠网格技术建立波浪滑翔器弹簧水翼机构的数值计算模型,并利用CFD FLUENT软件对二维和三维水翼之间的动力学性能进行分析与研究。结果表明,由于三维水翼展长有限,在翼端处产生梢涡现象,造成水翼动力性能减小,与二维水翼相比,三维水翼的前向推进效率减少22.3%。接着,利用仿生学原理设计波浪滑翔器仿生水翼,发现仿生水翼降低了梢涡对水翼动力性能的损失,同时对比相同展弦比的三维水翼,仿生水翼的前向推力提高了17.6%,效率提高了10.7%。最后,通过实验对比发现CFD仿真数据与试验数据具有相同的趋势,CFD仿真模型的可靠度得到验证。 展开更多

关键词 波浪滑翔器 弹簧水翼机构 三维效应 仿生水翼 动力学性能

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基于神经网络与CFD相结合的扑翼推进性能优化

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作者 宋振宇 朱建阳 董璐 《空气动力学学报》 CSCD 北大核心 2024年第5期53-63,共11页

为了提升现有水下扑翼式机器人的推进性能,采用田口实验、神经网络和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)相结合的方法,系统研究展弦比、升沉幅值、俯仰幅值和扑动频率变化对三维NACA 0012扑翼推进性能的影响。首先采用田... 为了提升现有水下扑翼式机器人的推进性能,采用田口实验、神经网络和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)相结合的方法,系统研究展弦比、升沉幅值、俯仰幅值和扑动频率变化对三维NACA 0012扑翼推进性能的影响。首先采用田口实验确定CFD仿真的参数组合,接着进行CFD仿真并为神经网络优化提供数据集,然后训练神经网络并用训练好的神经网络模型对CFD结果进行预测和验证,最后分析优化后的参数组合获得最优推进性能的机理。研究结果表明:展弦比、升沉幅值、俯仰幅值和扑动频率变化能显著影响扑翼的推进性能,其中扑动频率的影响最大,展弦比的影响最小,神经网络优化后的扑翼最大推进效率可达55.43%。进一步对不同参数组合扑翼周围流场结构分析发现,最优参数组合扑翼表面可以形成稳定的涡流,且涡流在扑动过程中可以长时间附着在扑翼表面,这是最优参数组合扑翼具有更好推进性能的内在原因。 展开更多

关键词 仿生扑翼 田口实验 神经网络 推进效率 数值模拟

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基于幽灵蛸的仿生水下机器人设计 被引量：1

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作者 李泽楷 张苏楠 +2 位作者 赵心杰 吕泽涛 柴启航 《机电工程技术》 2024年第1期48-51,共4页

为解决传统水下机器人螺旋桨推进器体积大、容易被雷达探测、水草缠绕和推进效率低等问题。受生物幽灵蛸灵活性、平稳性运动的启发,根据生物幽灵蛸的外形特征和运动机理设计了一款水下机器人。该机器人由流线型头部,空腔外壳,双自由度... 为解决传统水下机器人螺旋桨推进器体积大、容易被雷达探测、水草缠绕和推进效率低等问题。受生物幽灵蛸灵活性、平稳性运动的启发,根据生物幽灵蛸的外形特征和运动机理设计了一款水下机器人。该机器人由流线型头部,空腔外壳,双自由度水翼短鳍和喷射机构组成。通过短鳍的控制和喷射机构的推进,可以实现仿生幽灵蛸的前进、转向、俯仰等姿态调整动作。通过SolidWorks软件对装置进行了三维建模和仿真分析,验证结构设计的合理性,加工制作模型样机,最后通过水下实验,验证了所设计的仿生机器人具有高度灵活性、平稳性、低噪声等优点,可以作为水下侦察和环境监测的载体。 展开更多

关键词 幽灵蛸 水翼推进 射流推进 仿生水下机器人

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仿生翼型参数化设计及其应用研究

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作者 张顺 苏晓珍 卢金国 《哈尔滨商业大学学报（自然科学版）》 CAS 2024年第2期220-228,共9页

翼型是流体机械叶片的剖面形状,广泛应用于航空航天、石油化工,水下机器等领域,但在水力机械领域缺乏以水动力为基础的相关仿生翼型研究.以鲟鱼为研究对象进行仿生设计,提出了控制点局部加密的分段式非均匀B样条拟合方法,借助大涡模拟... 翼型是流体机械叶片的剖面形状,广泛应用于航空航天、石油化工,水下机器等领域,但在水力机械领域缺乏以水动力为基础的相关仿生翼型研究.以鲟鱼为研究对象进行仿生设计,提出了控制点局部加密的分段式非均匀B样条拟合方法,借助大涡模拟方法仿生翼型的升阻特性、绕翼速度分布等.结果显示,在保证仿生翼型拟合误差的前提下采用的控制点局部加密的方法可以大大减小控制点个数;曲线拟合误差越大会影响流体绕翼的速度分布发生变化,增大翼型尾缘近壁面附近不稳定漩涡区域,造成升阻比下降;将仿生翼型应用于喷泵时发现,与传统NACA0015翼型得到的叶轮相比,仿生翼型得到的叶轮在设计工况下泵扬程和效率更优;曲线拟合误差越大会造成泵效率下降. 展开更多

关键词 翼型 仿生学 非均匀B样条曲线拟合 升阻特性 泵 水力性能

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水翼法推进机理及操纵技术研究 被引量：2

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作者 张铭钧 刘晓白 +2 位作者 储定慧 徐建安 郭绍波 《兵工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2010年第3期316-321,共6页

研究了水翼法推进机理和操纵技术。通过海龟运动实时状态监测,分析了水翼法推进运动特性,从水动力、流场等角度探讨了水翼法推进机理和多元协调操纵方式,建立了水翼推进水动力表达式。为研究水翼运动时流场演变及作用机理,利用Fluent软... 研究了水翼法推进机理和操纵技术。通过海龟运动实时状态监测,分析了水翼法推进运动特性,从水动力、流场等角度探讨了水翼法推进机理和多元协调操纵方式,建立了水翼推进水动力表达式。为研究水翼运动时流场演变及作用机理,利用Fluent软件进行了水翼运动流体动力学数值模拟,分析了流场和水翼几何参数的变化对推进作用的影响,得出了水翼运动轨迹的形态特征。研制了模块化仿水翼推进载体,进行了载体运动性能试验研究,探讨了载体运动的操纵技术。试验结果验证了水翼法推进的可实现性和仿水翼操纵技术的可行性。 展开更多

关键词 工程仿生学 仿生推进 水翼法 操纵技术

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仿生水翼推进系统研制与实验研究 被引量：1

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作者 张铭钧 刘晓白 +2 位作者 储定慧 郭绍波 徐建安 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第5期650-656,共7页

为探讨水下非螺旋桨推进方式,进行了海龟水翼法推进仿生技术研究.研制了"Leonardo"号仿生水翼推进系统,包括推进执行系统、控制与感知系统和通讯与能源系统等,并进行仿生水翼推进系统直航和原地转艏运动的变参数测试实验,验... 为探讨水下非螺旋桨推进方式,进行了海龟水翼法推进仿生技术研究.研制了"Leonardo"号仿生水翼推进系统,包括推进执行系统、控制与感知系统和通讯与能源系统等,并进行仿生水翼推进系统直航和原地转艏运动的变参数测试实验,验证了数值模拟试验中水翼运动水动力对于系统运动的影响.实验结果表明,水翼拍旋角速度对于系统的直航速度呈降加速度正比影响;位旋幅值对于系统运行的速度稳定性有一定影响,并能对系统直航速度和加速度产生先增后抑的作用;蹼翼偏置角度对于系统转艏速度的影响呈余弦波形式分布等.这些仿水翼法推进水动力性能的研究为仿生水翼推进系统运动控制策略研究提供了依据. 展开更多

关键词 水翼法推进 仿生系统 水动力 实验研究

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2自由度振荡水翼推进性能分析及实验研究 被引量：2

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作者 徐建安 孔德慧 高新 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2017年第3期333-339,共7页

为了研究仿生水翼推进性能,设计了一种2自由度振荡水翼推进装置.实现了基于升力/阻力模式的2种振荡水翼推进方式.研制了振荡水翼推进性能实验平台,在循环水池环境下完成了不同参数耦合情况下振荡水翼推进性能实验.利用6轴力传感器测量... 为了研究仿生水翼推进性能,设计了一种2自由度振荡水翼推进装置.实现了基于升力/阻力模式的2种振荡水翼推进方式.研制了振荡水翼推进性能实验平台,在循环水池环境下完成了不同参数耦合情况下振荡水翼推进性能实验.利用6轴力传感器测量水翼振荡时产生的推力/升力,并将实验结果与数值模拟结果对比,分析不同参数对推进性能的影响.实验结果表明,在升力推进模式下,增加拍旋运动幅值和振荡频率可以提高平均推力;随着位旋运动幅值的增加,平均推力呈现先增大后减小的趋势;随着来流速度的增大,平均推力逐渐减小.在阻力推进模式下,增加拍旋运动幅值和振荡频率均可提高平均推力. 展开更多

关键词 振荡水翼 仿生推进 耦合运动 数值模拟 实验测试

原文传递

仿生推进水翼协同技术

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作者 张铭钧 刘晓白 +2 位作者 郭绍波 徐建安 闫娜 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2011年第5期519-527,569,共10页

研究基于水翼法推进的海龟水翼协同运动机理及其尾涡结构,发现水翼双旋协同运动可使水翼尾涡产生一条连续的聚集涡涡带,而双翼协同则可消除水翼尾涡聚集涡干扰和涡环脱泻频率跳跃现象.研究水翼法推进实验样机的水翼协同运动控制系统,提... 研究基于水翼法推进的海龟水翼协同运动机理及其尾涡结构,发现水翼双旋协同运动可使水翼尾涡产生一条连续的聚集涡涡带,而双翼协同则可消除水翼尾涡聚集涡干扰和涡环脱泻频率跳跃现象.研究水翼法推进实验样机的水翼协同运动控制系统,提出水翼双旋协同分段式控制方法和双翼协同角速度在线调节方法,进行了样机水池实验.实验结果表明,分段式控制方法使协同值为0.5和1的水翼双旋协同运动分别比交替运动提高了0.45倍和0.82倍的样机直航速度,1.01倍和2.49倍的直航推进效率;角速度在线调节方法使两翼达到95.2%的运动重合度的同时,还使双翼协同推进相比于非协同推进时增加了43.6%的样机纵向推力. 展开更多

关键词 仿生推进 水翼法 协同运动 控制方法

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基于仿生学原理的滑翔式水翼艇模型设计 被引量：2

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作者 常军然 谢崟 王凡 《机械研究与应用》 2013年第4期136-138,共3页

为丰富水上运动项目,增加其娱乐性和竞技性,设计了一款单人驾驶的滑翔式水翼艇模型。基于飞鱼可实现滑翔的启发,利用仿生学原理,采用形态仿生和结构仿生相结合的理念,对水翼艇进行了外形和结构设计。并对其主要零部件的外形和安装位置... 为丰富水上运动项目,增加其娱乐性和竞技性,设计了一款单人驾驶的滑翔式水翼艇模型。基于飞鱼可实现滑翔的启发,利用仿生学原理,采用形态仿生和结构仿生相结合的理念,对水翼艇进行了外形和结构设计。并对其主要零部件的外形和安装位置进行详细说明,生成了3D模型图。依据设计结果,制作了简易模型,并进行水面航行试验,跳跃效果良好。该试验结果,可为进一步研制载人水上跳跃装置提供设计依据。 展开更多

关键词 仿生设计 飞鱼 水翼艇 滑翔 模型

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水翼法推进的仿生AUV研制及实验 被引量：1

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作者 储定慧 《舰船科学技术》 2011年第B08期34-38,115,共6页

为丰富水下推进方式,进行了海龟水翼法推进技术仿生及实验研究。基于生物原型运动机理和本构特性分析,研制了仿水翼运动机构、仿蹼翼运动机构和仿生水翼法推进AUV,并进行了仿生AUV水池转首性能测试实验等,验证了运动参数变化对AUV所受... 为丰富水下推进方式,进行了海龟水翼法推进技术仿生及实验研究。基于生物原型运动机理和本构特性分析,研制了仿水翼运动机构、仿蹼翼运动机构和仿生水翼法推进AUV,并进行了仿生AUV水池转首性能测试实验等,验证了运动参数变化对AUV所受纵向力分量和平面转首力矩的影响。实验结果表明,水翼拍旋角速度ω1对于AUV转首速度的影响呈降加速度正比趋势;AUV样机双翼反向差动转首因增加了涡漩阻力,比单肢转首运动的效率提高约60%等,这些为仿生AUV运动控制策略研究提供依据。 展开更多

关键词 水翼法推进 仿生AUV 实验研究 反向差动

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海龟水翼运动模型及仿生推进机构研究 被引量：4

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作者 储定慧 张铭钧 刘晓白 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第3期285-289,共5页

针对海龟水翼运动的特点,进行了仿水翼推进系统的研究.基于水翼运动的抽象分析,建立了二自由度水翼运动模型,描述了水翼运动典型状态下的翼态特征.设计了仿生运动机构,分析了其运动学特性,为优化仿生推进机构的设计与控制提供了依据.基... 针对海龟水翼运动的特点,进行了仿水翼推进系统的研究.基于水翼运动的抽象分析,建立了二自由度水翼运动模型,描述了水翼运动典型状态下的翼态特征.设计了仿生运动机构,分析了其运动学特性,为优化仿生推进机构的设计与控制提供了依据.基于PC104和DSP构建了仿生机构的控制系统,实现了运动控制器的模块化设计.搭建了单肢运动实验平台,从功能仿生角度实现了水翼运动,试验验证了仿水翼机构运动的可行性和控制系统的有效性,丰富了水下推进理论. 展开更多

关键词 仿生运动机理 水翼模型 翼态特征 控制系统

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翼型表面仿生特殊构型对空化抑制影响的研究 被引量：2

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作者 王燕燕 赵伟国 +3 位作者 韩向东 范鹏军 刘在伦 胡建启 《西安交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第9期10-19,共10页

为探究翼型表面仿生特殊构型对空化抑制的影响,本文采用修正的SST k-ω湍流模型并结合Zwart-Gerber-Belamri空化模型对常规与表面含仿生特殊构型的NACA0015翼型的非定常空化绕流进行数值仿真,确定仿生特殊构型的影响且揭示相应的机理。... 为探究翼型表面仿生特殊构型对空化抑制的影响,本文采用修正的SST k-ω湍流模型并结合Zwart-Gerber-Belamri空化模型对常规与表面含仿生特殊构型的NACA0015翼型的非定常空化绕流进行数值仿真,确定仿生特殊构型的影响且揭示相应的机理。研究结果表明:对于表面含仿生特殊构型的翼型,相同频率下的升阻力幅值明显小于常规翼型下的且幅值整体波动较弱,同时平均升阻比增大;与常规翼型下的相比,空泡周期性演化发展过程变弱且空泡体积也减小;表面含仿生特殊构型翼型下的空化柔度在正负值间变化的程度较常规翼型下的弱,空化柔度小于0所对应的时间显著减少仿生特殊构型显著抑制空化。低压区与涡旋分布范围均小于常规翼型下的,湍动能分布范围减小且强度减弱,在其综合影响下实现抑制空化的目的,流场因而变稳定。 展开更多

关键词 NACA0015翼型 空化 仿生特殊构型 机理

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基于大涡模拟的波状前缘水翼空化抑制研究 被引量：1

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作者 马楷东 曹留帅 万德成 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2023年第6期112-123,共12页

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... 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。 展开更多

关键词 大涡模拟 波状前缘 仿生水翼 空化抑制

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大攻角下仿生水翼非一致流场及空化数值分析 被引量：3

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作者 钱昱同 赵晓涛 +1 位作者 程怀玉 季斌 《水动力学研究与进展（A辑）》 CSCD 北大核心 2022年第4期492-500,共9页

基于座头鲸鳍肢造型的仿生水翼在大攻角下具有优越的流动控制和空化性能,为研究大攻角下仿生水翼绕流机理,该文基于LES和ZGB模型对18°攻角下4L仿生水翼的空化流场进行了数值模拟,结果表明:大攻角下,仿生水翼表面存在非一致流场,其... 基于座头鲸鳍肢造型的仿生水翼在大攻角下具有优越的流动控制和空化性能,为研究大攻角下仿生水翼绕流机理,该文基于LES和ZGB模型对18°攻角下4L仿生水翼的空化流场进行了数值模拟,结果表明:大攻角下,仿生水翼表面存在非一致流场,其产生于分离涡的展向扩展及凸峰附着流的分割作用,根据分离涡状态将水翼表面流场分为扩张区和收缩区。收缩区内空泡形态较稳定,脱落频率小,存在由附着流汇合引起的小范围回射流;扩张区内存在“U”形空泡及涡结构,其产生于流向涡与回射流的共同作用;非一致流场下水翼表面呈现一定的压力脉动特征,水翼后部压力脉动较小而分区边界处压力脉动较大。 展开更多

关键词 空化 仿生水翼 空泡形态 涡结构 压力脉动

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