串列拍动翼的涡运动与水动力干扰特性研究

Flapping foil origins from locomotion of creatures. It can be applied in the propulsion of underwater vehicles and tidal current energy extraction. The tandem flapping foil propulsor can increase the thrust coefficient significantly and the propulsive efficiency will remain at high level. As an energy harvester, the tandem flapping foil can enhance the energy conversion efficiency greatly. The project will study the vortex motion and the interactions of the tandem flapping foil. The vortex of the fore foil can be captured by the hind foil; the interaction of the vortex and the hind foil can either increase or decrease the efficiency of the hind foil. The Boundary element method and CFD technology will be adopted to simulate the tandem foils. The generation of vortex and its motion, the foil-foil interaction, vortex-foil interaction will be analysed. The effects of the distance and phase difference of the tandem foils for propulsion and energy extraction will be investigated; the corresponding experimental study will be carried out; the effects of the interaction of the vortex and foil on the hydrodynamic forces will be analysed, the mechanism of interaction of tandem foil and the vortex system will be investigated. These would be the theoretical foundation for the design of propulsor and tidal current generator based on tandem flapping foil.

拍动翼源于仿生运动，可用于水下运载器的推进与潮流能发电。采用串列布置的拍动翼推进可大幅提高推力系数，且保有相当高的推进效率；串列拍动翼能量采集装置则可能大幅提高装置的能量转化效率。项目拟对串列拍动翼的涡运动与干扰效应进行研究。前方翼生成的涡可以被后方翼捕捉，涡与后方翼的相互作用可能提高或者降低后方翼的能效。项目拟结合边界元方法和CFD技术对串列拍动翼进行模拟，分析涡的生成与运动、翼-翼干扰、涡-翼相互作用，研究串列振动翼间距与运动相位差对串列翼推进效率或能量采集效率的影响规律，展开相应的实验研究，分析涡-翼的作用方式对水动力性能的影响，研究串列翼与涡系作用的机理，为设计基于串列振动翼模型的推进装置或潮流能发电装置提供理论支撑。

通过理论分析、数值模拟与模型实验研究了串列拍动翼涡干扰的流体力学机理。基于串列拍动翼涡干扰的流体物理特性，建立了串列拍动翼分离涡计算模型，实现了对串列拍动翼非定常水动力的快速数值模拟；研究了串列拍动翼在不同运动相位与不同间距下的水动力干扰特性；建立了串列拍动翼粘性CFD计算模型，对串列拍动翼的涡流场进行了精细的数值模拟，可视化地展示了不同涡干扰状态下的涡流运动规律。基于所建立的数值计算模型，系统地分析了串列拍动翼在推进与能量采集模式下的水动力性能。在推进模式中，发现串列拍动翼具有推力最大与推进效率最高两种典型状态；对于能量采集模式，发现了串列拍动翼实现效率最高的涡干扰模式。之后设计了串列拍动翼实验模型，通过模型实验研究了串列拍动翼不同运动相位下的涡干扰规律，找到了实现最高能量采集效率所对应的斯特罗哈数与运动相位差。这为实际串列拍动翼推进装置与能量采集装置的设计提供了技术支撑。