水下扇翼推进器动力学特性研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 郜天柱 |
| 答辩日期 | 2021-05-23 |
| 授予单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 授予地点 | 沈阳 |
| 导师 | 林扬 |
| 关键词 | 水下扇翼推进器 水动力学特性 横流风扇 水下推进器 水下航行器 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 机械电子工程 |
| 其他题名 | Research on the Dynamics Characteristics of Underwater Fan-wing Thrusters |
| 英文摘要 | 为了提高水下航行器在高航速下的机动性，本文借鉴了空用扇翼飞行器的推进原理。空用扇翼推进器相对于固定机翼加主推的形式，可以为飞行器提供更强大的垂向力，使其具有垂直起降、大迎角不失速以及载荷大等优势。空用扇翼推进器相对于旋翼推进器，则可以使飞行器达到更快的飞行速度。基于此，本文首次将扇翼推进器用作水下推进，着眼于水下扇翼推进器在动力学特性，提出了诸多科学和工程问题，基于这些问题展开了如下研究：①针对“如何定义水下扇翼推进器？”等问题，本文首先给出了水下扇翼推进器的定义。通过对介质因素和航行器因素影响的讨论，得到了水下扇翼推进器的构型。通过计算流体力学仿真，分析了水下扇翼推进器、螺旋桨推进器和固定机翼三者在不同航速和转速下的前向力、垂向力和效率变化情况，总结得到了水下扇翼推进器的独特性。研究表明水介质有利于扇翼推进器发挥作用，其在高航速下可以产生更显著的垂向力，且垂向推进效率高于螺旋桨推进器。②针对“水下扇翼推进器有哪些水动力学特性？”等问题，本文通过水池拖曳和自航实验、计算流体力学仿真和物理模型分析等方法，研究了某典型水下扇翼推进器的水动力学特性。本文讨论了不同航速和横流风扇转速下，水下扇翼推进器的前向力、垂向力、转矩、功率和效率等性能参数，总结得到了这些性能参数的变化规律。此外，还发现了水下扇翼推进器的三个典型特征，包括低航速、高转速下，水下扇翼推进器波动增大等。基于对流场的分析和物理模型分析，本文给出了合理的解释。③针对“如何设计和优化水下扇翼推进器？”等问题，本文对水下扇翼推进器的两个核心零部件——固定机翼和横流风扇——的作用和设计方法展开了深入研究。首先选取了固定机翼的四个主要几何参数，研究了不同几何参数和工况下，水下扇翼推进器的前向力、垂向力、转矩和效率等变化情况。结合流场和物理模型对变化产生的原因进行了解释，总结得到了固定机翼的主要作用为控制来流流入和流出横流风扇，最终给出了固定机翼的几何参数根据不同工况需求的设计方法。接着，本文选取了横流风扇的四个主要几何参数，除了研究其水动力学特性外，还研究了其不同几何参数和工况下的水声学特性。并同样结合流场分析等方法，探究了其变化机理，总结得到横流风扇的作用。最终结合水下扇翼推进器是否作为水下航行器的主推进器，给出了横流风扇主要几何参数的最优设计区间。④针对“水下扇翼推进器的推进机理是什么？”等问题，本文对水下扇翼推进器的推进机理展开了深入讨论。本文首次将环量理论和翼型理论结合，用于解释水下扇翼推进器的运动机理，提出了：水下扇翼推进器的主动涡翼型理论。该理论认为：水下扇翼推进器的运动主要是由来流流过水下扇翼推进器表面所产生的被动涡，与横流风扇自身旋转产生的主动涡的相互作用引起的。本文详细讨论了不同航速与横流风扇转速相对大小的情况下，主动涡与被动涡的相互作用情况，并结合环量理论和翼型理论，给出了水下扇翼推进器的前向力和垂向力的理论计算方法等。本文依据该理论深刻解释了本文发现的水下扇翼推进器的诸多现象的作用机理，并推广到空用扇翼推进器，对短距起降、大迎角不失速以及低压偏心涡的形成等现象进行了深刻解释。⑤针对“如何将水下扇翼推进器与水下航行器结合？”等问题，本文将水下扇翼推进器搭载到了水下航行器中，设计、制作并试验了扇翼水下航行器。本文结合六自由度动力学方程，对扇翼水下航行器展开了研究，通过对方程的简化引出了扇翼水下航行器的设计方法。本文所研制的水下扇翼航行器可以在仅以2个对称布置的水下扇翼推进器作为动力的情况下，实现水下5自由度运动。本文从水下扇翼推进器的定义开始，逐步深入到水动力学特性、各部件的作用和设计方法，再到探究其运动机理的理论本质，最后到航行器实验，系统性地研究了水下扇翼推进器这一全新的水下推进形式的动力学特性，解决了诸多基础性科学和工程问题。本文的工作可以为将水下扇翼推进器搭载于现有水下航行器，解决其高航速下的强机动问题，奠定坚实的理论、实验和设计方法的基础。 |
| 语种 | 中文 |
| 产权排序 | 1 |
| 页码 | 178页 |
| 源URL | [http://ir.sia.cn/handle/173321/29000]  |
| 专题 | 沈阳自动化研究所_海洋信息技术装备中心 |
| 作者单位 | 中国科学院沈阳自动化研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郜天柱. 水下扇翼推进器动力学特性研究[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2021. |
入库方式： OAI收割
来源：沈阳自动化研究所
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