Chinese Journal of Ship Research
Numerical prediction of hydrodynamic performance of differently shaped flapping foil propulsors
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引用格式：张生浩, 梅蕾, 周军伟.不同形状摆翼推进器水动力性能的数值预报[J]. 中国舰船研究, 2021, 16(3): 50–59, 66. ZHANG S H, MEI L, ZHOU J W. Numerical prediction of hydrodynamic performance of differently shaped flapping foil propulsors[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2021, 16(3): 50–59, 66.
张生浩，梅蕾，周军伟*
哈尔滨工业大学（威海）海洋工程学院，山东威海 264209
摘 要:［目的］为得到最优几何外形的摆翼，对不同形状三维水翼的水动力性能进行研究 。［方法］运用NUMECA软件的 Fine/Marine 求解器，采用数值方法模拟NACA 0012水翼模型在不同参数（展弦比、根梢比、前掠和后掠）下的水中多自由度耦合运动流场，以得到不同几何参数及工况下的效率、推力系数和尾流场。通过模拟结果与实验结果的对比，以及网格无关性分析，验证数值方法的可靠性。［结果］结果表明，展弦比越大，水翼性能越优； 对于展弦比相同而根梢比不同的梯形水翼，增大根梢比对水翼性能会产生消极影响；对于相同根梢比的前掠、后掠及梯形水翼，后掠形式性能优于前掠和梯形形式，后缘形状对水翼性能有显著影响。［结论］研究初步得到了较优摆翼推进器的几何设计参数，对各工况下摆翼推进器的尾涡结构特征有了进一步认识。关键词：三维摆翼；几何参数；仿生推进；水动力性能中图分类号: U664.35文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01911 Numerical prediction of hydrodynamic performance of differently shaped flapping foil propulsors ZHANG Shenghao, MEI Lei, ZHOU Junwei*
School of Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology, Weihai 264209, China
Abstract: ［Objectives ］ The hydrodynamic performance of three-dimensional hydrofoils with different shapes is studied in order to find the optimal hydrofoil geometry.［Methods］ NACA 0012 hydrofoil model with different aspect ratios, tip ratios, forward-swept and back-swept shapes are used to simulated the flow field of the hydrofoil with multi-DOF coupling motion based on the NUMECA Fine/Marine solver. The reliability of the numerical method is validated by comparison with the experimental results and analysis of grid independence.［Results］The results show that a hydrofoil with a larger aspect ratio has better performance. By comparing the results of hydrofoils with the same aspect ratio and different tip ratios, it is found that tip ratio causes performance degradation. By comparing the results of forward-swept, back-swept and trapezoidal hydrofoils with the same tip ratio, it is found that the performance of the back-swept hydrofoil is optimal, and the shape of the trailing edge has great influence on hydrofoil performance.［Conclusions ］ This study obtains certain optimal geometrical parameters of flapping foil propulsors, and achieves greater understanding of the characteristics of wake vortex structures. Key words: three-dimensional flapping foil；geometric parameters；bionics propulsion；hydrodynamic performance
收稿日期: 2020–03–28 修回日期: 2020–05–28 网络首发时间: 2021–05–14 16:52作者简介:张生浩，男，1998 年生，本科生。研究方向：仿生推进器设计及计算流体力学。E-mail：zshd3980405@163.com。梅蕾，女，1981年生，博士。研究方向：阻尼材料在推进器中的应用，碳纤维/碳纳米管树脂基复合材料设计、制备、评价。E-mail：mlsmile81@163.com。周军伟，男，1981年生，博士，副教授。研究方向：船舶及航行器的设计方法，叶轮机械设计及非定常流动控制技术。E-mail：zhoujw@hitwh.edu.cn。*通信作者:周军伟
0 引 言
生命诞生于海洋，经历了数十亿年的物种选择与进化，造就了数以万计的“流体力学大师”—海洋生物。鱼类作为常见的水生生物，遍布于江河湖海，大多数鱼类通过摆动尾鳍产生推力，在水中机动灵活，拥有极高的推进效率[1-2]。人们通过观察鱼类的生物构造与运动特性，总结提取了物理原理及运动规律，并将其应用于仿生推进器设计，摆翼推进器即是这样一种模仿鱼类波状游动的新型推进装置。相比传统推进装置，摆翼推进器拥有极高的航行效率、较低的噪声污染、较强的机动性能等优势，近年来日益成为科研工作者关注的热点问题。Zhu[3]研究指出柔性鱼尾是水生动物提高运动效率的重要机制，其流固耦合作用能够进一步提高推进效率。Iverson 等[4] 指出柔性水翼比刚性水翼会产生更高的推力值，也具有更高的推进效率，但柔性水翼存在大量的控制参数，不利于变量控制。Anderson 等[5] 研究发现在一定条件下刚性水翼的推进效率仍高达87%，远高于目前主流的螺旋桨推进器。从研究现状来看，基于二维水翼求解，忽略水翼的三维效应，化繁为简的研究已经取得了大量的理论和实验成果。然而，真实的三维流动不同于二维的情况，由于绕流在上、下翼面会产生压强差，三维水翼表面的流动存在展向速度，所以会形成尾涡层，从而在翼尖处向下游卷成2 个旋向相反的喇叭状旋涡[6] ，产生诱导阻力耗散能量。特别是小展弦比的水翼，翼尖涡与前缘涡相互作用强烈，对流动产生的影响不容忽视。因此，本文将对三维水翼进行数值仿真，研究多种形状的水翼水动力性能变化规律，以为摆翼推进器的设计提供参考。
1摆翼推进器
1.1几何参数
本文探究了水翼的展弦比AR、根梢比 TR、前掠和后掠对水动力性能的影响。图1为模型投影形状，定义水翼展长为H，翼根弦长为c，翼尖弦长为c′ ，展弦比AR = H c，根梢比TR = c c′。因水翼左右对称，各算例均使用半模计算，取c = 0 2 m。对所定义形状的水翼建模，通过不同几何变量的组合，生成23种水翼模型。其中，矩形翼有8种不同的展弦比，梯形水翼、前掠及后掠水翼分
别有5种根梢比。考虑到三维效应可能是影响梯形水翼、前掠及后掠水翼性能的重要因素之一，选择 AR适中且能体现三维效应的水翼作为初步探讨，此处选择AR=4。对每种模型进速Vx =0~ 8 m/s 时的 13种工况进行数值仿真，模型详细信息如表1所示。1.2运动描述
参照文献[7]，设置水翼为含前进（x 方向平移）、横荡（y 方向振荡）、艏摇（绕z 轴旋转）的三自由度耦合运动，水翼运动使用绝对坐标系xoy，如图2 所示。图中，Fx，Fy 分别为水翼x，y 方向的受力,T 为摆动周期，B为横荡扫掠宽度。水翼匀速前进，横荡、艏摇运动均为正弦规律。横荡运动方程为Y = Y0 sin (2π ft ) ，其中： Y为横荡位置； Y0为最大横荡摆幅； f为摆动频率；t为时间。艏摇运动方程为 = sin (2π ft + ϕ) ，其中： 为艏摇摆0角； 为最大艏摇摆角； ϕ为横荡运动和艏摇运动0的相位差（旋转运动参考点为镜像面内翼型导缘顶点）。本文取Y0 = 0 5m ，摆幅比Y0 c = 2 5， f = 1Hz， 0 = 0 3 rad ，φ = π 2，对此模型情况进行计算。一个周期内水翼运动、受力的情况如图2所示。