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Modeling and Simulation of A Novel Autonomous Underwater Vehicle with Glider and Flapping-Foil Propulsion Capabilities 被引量:3
1
作者 田文龙 宋保维 +2 位作者 杜晓旭 毛昭勇 丁浩 《China Ocean Engineering》 SCIE EI 2012年第4期603-622,共20页
HAISHEN is a long-ranged and highly maneuverable AUV which has two operating modes: glider mode and flapping-foil propulsion mode. As part of the vehicle development, a three-dimensional mathematical model of the con... HAISHEN is a long-ranged and highly maneuverable AUV which has two operating modes: glider mode and flapping-foil propulsion mode. As part of the vehicle development, a three-dimensional mathematical model of the conceptual vehicle was developed on the assumption that HAISHEN has a rigid body with two independently controlled oscillating hydrofoils. A flapping-foil model was developed based on the work done by Georgiades et al. (2009). Effect of controllable hydrofoils on the vehicle stable motion performance was studied theoretically. Finally, a dynamics simulation of the vehicle in both operating modes is created in this paper. The simulation demonstrates that: (1) in the glider mode, owing to the independent control of the pitch angle of each hydrofoil, HAISHEN travels faster and more efficiently and has a smaller turning radius than conventional fix-winged gliders; (2) in the flapping-foil propulsion mode, HAISHEN has a high maneuverability with a turning radius smaller than 15 m and a forward motion velocity about 1.8 m/s; (3) the vehicle is stable under all expected operating conditions. 展开更多
关键词 modeling simulation underwater glider flapping foil
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Numerical Study of Mechanisms of the Vortex Formation in the Wake of Dual-Flapping Foils
2
作者 Xingjian Lin Guoyi He +2 位作者 Xinyi He Qi Wang Longsheng Chen 《Journal of Applied Mathematics and Physics》 2017年第7期1431-1439,共9页
The vortex formation and organization are the key to understand the intrinsic mechanism in flying and swimming in nature. The vortex wake of dual-flapping foils is numerically investigated using the immersed boundary ... The vortex formation and organization are the key to understand the intrinsic mechanism in flying and swimming in nature. The vortex wake of dual-flapping foils is numerically investigated using the immersed boundary method. Beside the deflection of the reversed von-Kármán vortex street, an interesting phenomenon, the deflection of the von-Kármán vortex street, is observed behind the dual-flapping foils. The deflected direction is not according to the initial direction of biplane’s flapping motion. And the deflection angle is related to the difference between upward and downward deflecting velocities. 展开更多
关键词 VORTEX Formation DEFLECTION Dual-flapping foilS Immersed Boundary Method
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侧向襟翼不同运动模式对扑翼获能特性的影响
3
作者 田晨晔 刘小民 《工程热物理学报》 北大核心 2025年第5期1453-1463,共11页
扑翼作为一种新型流体能量采集装置,具有环境影响小、低流速条件适应性高等特点。为提升扑翼获能效率,本研究设计了一种针对扑翼结构的可动侧向襟翼。首先基于数值模拟结果,对比分析了无襟翼、带可动侧向襟翼和固定侧向襟翼的扑翼获能特... 扑翼作为一种新型流体能量采集装置,具有环境影响小、低流速条件适应性高等特点。为提升扑翼获能效率,本研究设计了一种针对扑翼结构的可动侧向襟翼。首先基于数值模拟结果,对比分析了无襟翼、带可动侧向襟翼和固定侧向襟翼的扑翼获能特性,揭示了可动侧向襟翼提升扑翼获能效率η的物理机制。然后针对可动侧向襟翼给出了三种运动模式,在不同缩减频率f^(∗)下研究了采用不同运动模式的可动侧向襟翼对扑翼获能性能的影响。结果表明,使用静止启动式襟翼的扑翼获能特性最优,在f^(∗)=0.18获得最大获能效率η=48.0%,相比原型提升21.7%。正弦式襟翼和匀速式襟翼由于在运动过程中会发生速度变,对扑翼的能量采集产生不利影响。 展开更多
关键词 扑翼 获能 侧向襟翼 运动模式 数值模拟
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HYDRODYNAMICS OF A FLAPPING FOIL IN THE WAKE OF A D-SECTION CYLINDER 被引量:3
4
作者 SHAO Xue-ming PAN Ding-yi 《Journal of Hydrodynamics》 SCIE EI CSCD 2011年第4期422-430,共9页
The water environment of swimming fish in nature is always complex which includes various vortices and fluctuations. In order to study the interaction between the fish and its surrounding complex flow, the physical mo... The water environment of swimming fish in nature is always complex which includes various vortices and fluctuations. In order to study the interaction between the fish and its surrounding complex flow, the physical model with a D-section cylinder placed at the front of a flapping foil is employed. The D-section cylinder is used to produce vortices to contact with the foil as well as the vortices shed from the foil. According to the experimental work of Gopalkrishnan et al., there are three interaction modes between vortices shed from the cylinder and the flapping foil, which are expanding wake, destructive interaction and constructive interaction. Here in this article, three of those typical cases are picked up to reproduce the vortices interaction modes with the modified immersed boundary methods and their hydrodynamic performances are studied further. Results show that, for expanding wake mode and destructive interaction mode, the incoming vortices contact with the foil strongly, inducing relative low pressure domains at the leading-edge of the foil and enlarging the thrust of foils. For constructive mode, the foil slalom between the shed vortices from the D-section cylinder do not contact with them obviously and the foil's thrust is only enlarged a little. 展开更多
关键词 flapping foil fish propulsion vortices interaction thrust enlargement
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Numerical and experimental studies of hydrodynamics of flapping foils 被引量:1
5
作者 Kai Zhou Jun-kao Liu Wei-shan Chen 《Journal of Hydrodynamics》 SCIE EI CSCD 2018年第2期258-266,共9页
The flapping foil based on bionics is a sort of simplified models which imitate the motion of wings or fins of fish or birds. In this paper, a universal kinematic model with three degrees of freedom is adopted and the... The flapping foil based on bionics is a sort of simplified models which imitate the motion of wings or fins of fish or birds. In this paper, a universal kinematic model with three degrees of freedom is adopted and the motion parallel to the flow direction is considered. The force coefficients, the torque coefficient, and the flow field characteristics are extracted and analyzed. Then the propulsive efficiency is calculated. The influence of the motion parameters on the hydrodynamic performance of the bionic foil is studied. The results show that the motion parameters play important roles in the hydrodynamic performance of the flapping foil. To validate the reliability of the numerical method used in this paper, an experiment platform is designed and verification experiments are carried out. Through the comparison, it is found that the numerical results compare well with the experimental results, to show that the adopted numerical method is reliable. The results of this paper provide a theoretical reference for the design of underwater vehicles based on the flapping propulsion. 展开更多
关键词 Biological fluid dynamics flapping foil hydrodynamic performance numerical simulation
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基于高斯过程回归和深度强化学习的水下扑翼推进性能寻优方法
6
作者 杨映荷 魏汉迪 +1 位作者 范迪夏 李昂 《上海交通大学学报》 北大核心 2025年第1期70-78,共9页
为了克服水下工作环境的复杂多变性,以及扑翼运动本身存在控制难度高、变量多、非线性特征显著等问题,提出一种直接探索环境并选取相应最优扑翼推进运动参数的寻优方法.采用拉丁超采样技术获取多维扑翼参数在实际水池中的数据样本,并基... 为了克服水下工作环境的复杂多变性,以及扑翼运动本身存在控制难度高、变量多、非线性特征显著等问题,提出一种直接探索环境并选取相应最优扑翼推进运动参数的寻优方法.采用拉丁超采样技术获取多维扑翼参数在实际水池中的数据样本,并基于该数据使用高斯过程回归(GPR)算法建立泛化工作环境的非参数模型.在不同推进性能需求下,采用深度强化学习(DRL)中的TD3算法并以奖励最大化为目标,训练得出连续区间内多参数动作最优组合解.实验结果表明,该GPR-TD3方法可以习得实验环境下扑翼推进的全定义域内最优解,包括最大速度和最大效率,并且该最优解可以在GPR中以二维形式直观验证其准确性.同时,针对任意给出的推进速度要求值,在290组真实样本前提下,新算法能够给出误差范围为0.23%~6.68%的推荐动作组合解,为真实应用提供参考. 展开更多
关键词 水下扑翼 高斯过程回归 深度强化学习 推进性能寻优
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振荡扑翼流场能量采集研究进展 被引量:7
7
作者 谢永慧 姜伟 +1 位作者 吕坤 张荻 《中国电机工程学报》 EI CSCD 北大核心 2016年第20期5564-5574,5733,共11页
振荡扑翼现象广泛存在于自然界和工程实际中,在风能和水流能量采集输出方面有巨大的应用潜力,揭示振荡扑翼能量采集机理,获得提高振荡扑翼输出功率和效率的方法对于新型振荡扑翼流场能量采集装置的开发应用至关重要。文中介绍了振荡扑... 振荡扑翼现象广泛存在于自然界和工程实际中,在风能和水流能量采集输出方面有巨大的应用潜力,揭示振荡扑翼能量采集机理,获得提高振荡扑翼输出功率和效率的方法对于新型振荡扑翼流场能量采集装置的开发应用至关重要。文中介绍了振荡扑翼能量采集基本理论及其机制,运动参数对振荡扑翼流场结构和气动力的演变以及能量采集效果的影响规律;然后重点介绍了扑翼形状、柔性扑翼、非正弦振型、新型振型、多排扑翼和流固耦合等因素对振荡扑翼能量采集效果的影响规律;最后展示了振荡扑翼能量采集装备的工程开发现状。有关振荡扑翼能量采集的研究虽然取得一定进展,但尚需要更深入的试验和数值研究,文中指出:对扑翼形状、柔性扑翼和新型振型等的研究和优化分析可以有效提高振荡扑翼输出功率,但目前的研究较为有限;对扑翼非正弦振型的数值研究较为深入,但还缺乏相应的实验验证和分析;对双排或多排扑翼的研究涉及到扑翼运动参数、相邻扑翼间的运动相位差和前排尾流涡与后排扑翼间气动耦合作用等复杂因素,目前的研究尚不够系统深入。进一步采用三维数值分析方法和开展相应的实验对振荡扑翼能量采集过程中的流固耦合效应进行研究,可以更加精确地分析振荡扑翼周围流场的三维流动效应和功率输出过程。 展开更多
关键词 振荡扑翼 能量采集 运动参数 扑翼形状 柔性扑翼 新型振型 流固耦合效应
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二维摆动水翼仿生推进水动力性能研究 被引量:24
8
作者 张晓庆 王志东 张振山 《水动力学研究与进展(A辑)》 CSCD 北大核心 2006年第5期632-639,共8页
以鱼类尾鳍摆动式推进模式为背景,对二维刚性和柔性水翼摆动运动的非定常水动力性能开展了数值计算,将刚性水翼的计算结果与实验值进行了对比,吻合较好。运动边界采用动网格技术,湍流模型选用SST模型,柔性变形采用Bose模式,探讨了水翼... 以鱼类尾鳍摆动式推进模式为背景,对二维刚性和柔性水翼摆动运动的非定常水动力性能开展了数值计算,将刚性水翼的计算结果与实验值进行了对比,吻合较好。运动边界采用动网格技术,湍流模型选用SST模型,柔性变形采用Bose模式,探讨了水翼瞬时攻角、及柔度对摆动水翼推进性能的影响。 展开更多
关键词 摆动水翼 相当攻角 推进
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混合翼型对扑翼推进性能影响分析 被引量:5
9
作者 曹永辉 朝黎明 +1 位作者 丁浩 赵红印 《上海交通大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第8期1228-1232,1240,共6页
以NACA0006翼型为基准翼型,将其前缘部分更换为相对最大厚度较大的NACA0008、NACA0010、NACA0015和NACA0020翼型前缘部分,组成混合翼型.通过流体仿真软件Fluent14.5对基准翼型及混合翼型进行数值模拟计算,并分析扑翼运动的推进性能.结... 以NACA0006翼型为基准翼型,将其前缘部分更换为相对最大厚度较大的NACA0008、NACA0010、NACA0015和NACA0020翼型前缘部分,组成混合翼型.通过流体仿真软件Fluent14.5对基准翼型及混合翼型进行数值模拟计算,并分析扑翼运动的推进性能.结果表明:混合翼型相较于基准翼型对扑翼运动推力系数和推进效率有显著提高. 展开更多
关键词 扑翼 混合翼型 推进性能
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低雷诺数下拍动翼仿生推进效率研究 被引量:3
10
作者 李永成 王健 +2 位作者 赵桥生 马峥 肖冬林 《水动力学研究与进展(A辑)》 CSCD 北大核心 2018年第4期455-460,共6页
该文主要采用重叠网格技术对拍动翼的流体动力特性进行了计算分析,并且基于浸没边界法采用自编程序对低雷诺数下的拍动翼运动进行了直接数值模拟。将两次计算结果进行了比较,验证了重叠网格技术在处理动边界问题中的正确性和可行性。最... 该文主要采用重叠网格技术对拍动翼的流体动力特性进行了计算分析,并且基于浸没边界法采用自编程序对低雷诺数下的拍动翼运动进行了直接数值模拟。将两次计算结果进行了比较,验证了重叠网格技术在处理动边界问题中的正确性和可行性。最后系统地分析了拍动翼的运动参数如升沉俯仰相位差、俯仰幅值以及斯特劳哈尔数,对推进性能的影响。并结合推进效率及拍动翼后方的涡流场结构确立了最佳运动参数。 展开更多
关键词 拍动翼 浸没边界法 重叠网格 流固耦合
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三体船纵向减摇附体设计及减摇效果分析 被引量:8
11
作者 原新 张欣 《武汉理工大学学报(交通科学与工程版)》 2017年第4期554-558,共5页
三体船由于其快速性好、效率高、稳定性优良而备受青睐.为了减小由于侧体存在带来的纵摇和垂荡对船体运动性能的影响,在船底部四个位置安装三种水平翼距船底基线高度以及四种翼面迎流攻角共11种工况进行模型仿真;在主体船尾安装三种弦... 三体船由于其快速性好、效率高、稳定性优良而备受青睐.为了减小由于侧体存在带来的纵摇和垂荡对船体运动性能的影响,在船底部四个位置安装三种水平翼距船底基线高度以及四种翼面迎流攻角共11种工况进行模型仿真;在主体船尾安装三种弦长、三种下反角共六种工况的压浪板.经研究,通过比较安装两种减摇附体前后三体船的水动力性能,得到T型翼较佳的安装位置和迎流攻角以及压浪板的最佳弦长和下反角. 展开更多
关键词 三体船 T型翼 压浪板 纵向减摇 模型仿真
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四种扑动方式对水下扑翼推进性能影响数值分析 被引量:7
12
作者 杜晓旭 张正栋 《工程力学》 EI CSCD 北大核心 2018年第4期249-256,共8页
为了对比四种最常见的扑动方式对水下扑翼推进性能的影响规律,研究其对流场的影响机理,分别建立二自由度水下刚性扑翼计算模型。基于Realizable k-ε湍流方程,利用有限体积法(FVM)求解非定常雷诺平均N-S(URANS)方程,结合动网格技术对不... 为了对比四种最常见的扑动方式对水下扑翼推进性能的影响规律,研究其对流场的影响机理,分别建立二自由度水下刚性扑翼计算模型。基于Realizable k-ε湍流方程,利用有限体积法(FVM)求解非定常雷诺平均N-S(URANS)方程,结合动网格技术对不同扑动方式下的扑翼非定常水动力性能展开数值计算,并对流场结构进行分析,揭示其影响规律。计算结果表明:四种扑动方式对扑翼推进性能的影响明显,方式3能够产生最大的平均推力,且整体不产生阻力,方式1次之,方式2与方式4不产生平均推力;四种扑动方式产生的平均升力均为0左右,但是方式1升力峰值最大,方式3升力峰值最小。 展开更多
关键词 流体力学 扑翼 动网格 推进性能 流线
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基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟 被引量:7
13
作者 潘定一 邓见 邵雪明 《空气动力学学报》 EI CSCD 北大核心 2008年第4期419-424,共6页
运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响。结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势。在本文... 运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响。结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势。在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°~100°之间时,存在着最大推进效率。本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础。 展开更多
关键词 沉浸边界法 仿生力学 反卡门涡街 拍动翼
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仿生振动翼推进器模糊控制实验研究 被引量:2
14
作者 文力 范哲 +1 位作者 王田苗 梁建宏 《机器人》 EI CSCD 北大核心 2010年第3期306-313,共8页
在水洞中对月牙尾鳍状的振动翼进行了水动力学实验,并讨论了St数、相对攻角、无量纲振幅、相位差为涡流控制参数的振动翼仿生推进的涡流控制方法.在尾鳍推进器平台上进行自由航行实验,结果表明,通过模糊控制方法主动控制振动翼的St数以... 在水洞中对月牙尾鳍状的振动翼进行了水动力学实验,并讨论了St数、相对攻角、无量纲振幅、相位差为涡流控制参数的振动翼仿生推进的涡流控制方法.在尾鳍推进器平台上进行自由航行实验,结果表明,通过模糊控制方法主动控制振动翼的St数以及其余涡流控制参数,可以有效地减小平台的功耗,获取更高的游动速度,平台游动速度最高达1.87m/s,同时振动翼尾鳍的St数被控制在0.4~0.5. 展开更多
关键词 振动翼 涡流控制 仿生水下航行器
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运动参数对近波面拍动翼推进性能的影响 被引量:3
15
作者 刘鹏 苏玉民 李宏伟 《中南大学学报(自然科学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第12期4062-4069,共8页
研究水翼不同运动参数对近波面二维刚性拍动翼推进性能的影响。首先,根据计算流体动力学(CFD)建立了近液面水翼的计算模型,然后采用速度边界造波及动网格等方法对不同参数下水翼的运动及水动力性能进行模拟和分析,最后,计算比较水翼处... 研究水翼不同运动参数对近波面二维刚性拍动翼推进性能的影响。首先,根据计算流体动力学(CFD)建立了近液面水翼的计算模型,然后采用速度边界造波及动网格等方法对不同参数下水翼的运动及水动力性能进行模拟和分析,最后,计算比较水翼处于无界流中及近静水面时性能。研究结果表明:恰当的水翼摇摆与升沉间相位差能够有效增加翼推力,提高翼推进效率及波浪能利用效率。波面的存在及恰当的翼摇摆与升沉相位差可增加水翼尾涡梯度、减小涡分布范围,从而增加翼推力及效率。此外,水翼大摆幅角运动可获得较高的推力及效率,而大升沉幅度下水翼推力较高,但效率较低。 展开更多
关键词 规则波 拍动翼 运动参数 尾涡 推进性能
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考虑侧壁面效应的拍动翼推进特性数值模拟研究 被引量:2
16
作者 李永成 张璇 潘子英 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2020年第5期570-577,共8页
本文基于重叠网格技术,采用商业软件Fluent对考虑侧壁面效应下的拍动翼推进特性进行了数值模拟研究,系统地分析了不同侧壁面距离下的拍动翼推进特性。结合推力系数及推进效率,分析发现存在最优侧壁面距离。通过对不同侧壁面距离下拍动... 本文基于重叠网格技术,采用商业软件Fluent对考虑侧壁面效应下的拍动翼推进特性进行了数值模拟研究,系统地分析了不同侧壁面距离下的拍动翼推进特性。结合推力系数及推进效率,分析发现存在最优侧壁面距离。通过对不同侧壁面距离下拍动翼后方的涡流场结构及速度压力分布云图进行分析,从流动机理的角度对数值预报结果进行了解释。 展开更多
关键词 拍动翼 重叠网格 侧壁面效应 流动机理
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仿生扑翼UUV推进机构设计及运动仿真 被引量:2
17
作者 丁浩 宋保维 朱崎峰 《机械科学与技术》 CSCD 北大核心 2011年第9期1528-1532,共5页
针对仿生扑翼UUV所使用的推进机构进行设计研究,在对海龟前肢运动模式分析的基础上,设计了一套二自由度仿生扑翼推进机构,该机构由两个电机分别驱动扑翼模型上下拍水及绕翼轴自身翻转,两个电机转动相互结合可以近似实现海龟前肢扑翼运... 针对仿生扑翼UUV所使用的推进机构进行设计研究,在对海龟前肢运动模式分析的基础上,设计了一套二自由度仿生扑翼推进机构,该机构由两个电机分别驱动扑翼模型上下拍水及绕翼轴自身翻转,两个电机转动相互结合可以近似实现海龟前肢扑翼运动模式。对所设计推进机构进行三维建模及虚拟装配,并对其进行了运动仿真,给出了两种驱动模式下扑翼运动过程的姿态及相应的角速度和角加速度。 展开更多
关键词 仿生扑翼UUV 推进机构 运动仿真
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扑翼翼型流体动力特性数值计算与分析 被引量:5
18
作者 潘光 钟如意 +1 位作者 宋保维 曹永辉 《鱼雷技术》 2012年第1期9-13,18,共6页
利用对海洋生物运动方式及其运动器官的研究开发水下扑翼推进装置是仿生推进技术的一个重要研究方向。本文通过数值计算方法,以对称翼型为主,开展对扑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鲁哈数下的力学表现,以及翼型... 利用对海洋生物运动方式及其运动器官的研究开发水下扑翼推进装置是仿生推进技术的一个重要研究方向。本文通过数值计算方法,以对称翼型为主,开展对扑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鲁哈数下的力学表现,以及翼型和相关参数对扑翼推进效果的影响。计算结果表明,翼型扑翼运动时的最大推力系数、平均推力系数和最大升力系数3个参数均与中心弦长比成线性递减关系,翼型参数和工况对翼型的推力和升力特性均有不同程度的影响。 展开更多
关键词 扑翼推进 翼型 推力系数 升力系数 斯德鲁哈数 数值计算
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