波动式柔性仿生推进器的水动力机理研究

Oscillatory flexible propulsor possesses abilities of both active motion and passive deformation, which can lead to its perfect coupling hydrodynamics with the fluid. Thus, Oscillatory flexible propulsor can greatly enhance the efficiency and save energy consumption when used to propel a marine craft. At present, the oscillatory motion is rarely considered in the research on flexible propulsor. Meanwhile, the effects of free surface and shallow water are very limited. Thus, in this project, the boundary element method based on potential flow theory and the finite element method based on viscous flow theory will be adopted to undertake the numerical simulation in following four areas: (1) The hydrodynamic performance of a flexible propulsor with prescribed oscillatory motion will be studied to investigate the mechanism of vortex shedding; (2) The coupling effect between the propulsor and the fluid will be analyzed to seek the optimal motion of the oscillatory flexible propulsor; (3) The numerical model of an oscillatory propulsor advancing in irregular wave will be built to investigate the wave rolling and the free surface effect on the propulsor; (4) The mathematical model of an oscillatory propulsor in shallow water will be developed to analyze the influence of bottom boundary on the hydrodynamics of the propulsor, in which the silty bottom effect will be accounted for using Volume of Fluid model.

波动式柔性仿生推进器兼具主动运动与被动变形能力，能够与周围流体实现完美的耦合运动。因此，波动式柔性推进器可以提高船舶推进效率，节省能源。目前针对柔性推进器的研究很少考虑波动式变形对其水动力特性的影响，同时关于自由面效应和浅水效应的研究也十分匮乏。鉴于此，本课题将采用基于势流理论的边界元方法和基于粘流理论的有限元方法进行数值模拟，采用实验方法对数值结果进行验证，拟开展如下四方面的研究：（1）分析给定波动式运动时柔性推进器的水动力特征，探讨漩涡脱落机理；（2）模拟给定初始边界条件下柔性推进器与流体之间的耦合作用，寻求波动式柔性推进器的最佳运动方式；（3）建立非线性规则波与柔性推进器相互作用的数值模型，研究波面翻卷问题以及自由液面效应对推进器水动力性能的影响；（4）建立柔性推进器在浅水中运动的数学模型，采用VOF方法模拟淤底效应，分析底部边界对推进器力学性能的影响。

为了响应国家大力推进节能环保的概念，提倡建造绿色船舶的理念，团队开展了研究仿生游动的水动力机理并设计仿生推进器的工作。本课题采用基于势流理论的边界元方法和基于粘流理论的有限元方法研究波动式柔性推进器的漩涡脱落现象、水动力耦合问题、波浪中的运动问题和浅水效应问题。本项目主要完成了以下研究内容：.（1）根据柔性推进器的周期、频率和幅值等运动特征，采用三维边界元方法，在时域中求解柔性边界条件下的积分方程。并将数值结果和实验结果相对比，分析波动频率、周期、幅值和斯特罗哈尔数等特征参数对柔性推进器漩涡脱落特性的影响。.（2）采用三维环流理论，求解运动积分方程，分析流体和波动柔性体之间的水动力耦合关系，寻找不同工况下波动式柔性推进器的最佳运动方式，研究柔性推进器运动时其表面压力分布规律和不同初始边界条件下柔性体的运动变化规律。.（3）建立仿生柔性推进器近水面运动数学模型，采用边界元法求解柔性物面边界条件下的控制方程，采用非线性运动学和动力学边界条件更新自由液面的位置，研究波面翻卷问题以及自由液面效应对波动式柔性推进器水动力性能的影响。.（4）采用考虑粘性运动的有限元方法，求解Navier-Stokes方程，分析粘性流体中柔性推进器的水动力性能使用VOF模拟研究泥沙和水的二相流问题，分析浅水对柔性推进器水动力性能的影响。.本项目在研究过程中突破了全非线性数值分析技术、流域分解技术、柔性体和流体的耦合计算技术、基于Fortran语言的有限元方法的程序编制等关键技术。培养了多名学生，发表了众多相关文章及专利。.最终结果是寻求各种环境载荷作用下能够发挥柔性推进器最大效率的最佳运动方式，最终意义是为这种先进的仿生推进装置的实际应用打下基础。