水翼尾缘摆动建模与流体动力特性研究

摆动状态下的水翼广泛应用于直翼推进器、波浪能捕获和仿生推进等领域，其流体动力特性是装置设计过程中必须考虑的因素之一。本文对不同水翼摆角和不同来流速度下的水翼尾缘摆动的水动力特性进行仿真分析。首先建立了NACA0012经典翼型作为分析对象，随后采用多面体网格结合重叠网格技术得到了摆动水翼的流体动力学计算方法。在此基础上，对水翼尾缘在±20˚的摆动角度范围和1~10 m/s来流流速范围内的水动力特性进行了仿真分析。结果显示，随着摆动角度的增大，最大压力变化较小，最低压力逐渐增大，升力和阻力均增加，升力增加的速度逐渐减小，阻力增加的速度逐渐增大。随着来流速度的增大，最大压力和最小压力均有不同程度的增加，升力和阻力增大。

摆动状态下的水翼广泛应用于直翼推进器、波浪能捕获和仿生推进等领域。在实验分析方面， Anderson 等人使用粒子成像系统，对较低雷诺数流场状态下运动水翼的推力系数进行了实验研究，同时分析了不同攻角下的尾涡特性[1]。在摆动翼型水动力特性影响因素分析方面，Young 等人采用数值方法研究了呈正弦运动的水翼的尾流特性，发现尾涡结构以及翼型受到的升力和推力显著依赖于斯特劳哈尔数[2]。Ashraf 等人通过仿真模拟了对称翼型和非对称翼型的推力和推进效率，发现翼型厚度在特定雷诺数流动中对推力影响较大[3]。

Xiao 等人通过仿真分析了有效攻角在翼型摆动过程中的作用以及其对推力大小和推进性能的影响[4]。刘志恒发展了二维水翼定常绕流计算模型，并设计了扑翼装置进行试验验证[5]。

刘焕兴等[6]采用RANS 求解器通过数值模拟分析了非正弦摆动下水翼的水动力性能，并探究了常规摆动情况下水翼性能较低的原因。马鹏磊[7]对流体诱导的振荡水翼进行了三维数值仿真模拟，分析了附加质量和附加质量矩对水翼水动力性能的影响。胡健等[8]采用重叠网格结合交界面数据传递的方法实现了摆动水翼的模拟，计算了水翼在不同斯特劳哈尔数下摆动所受到的作用力和力矩，并分析了尾涡产生的机理。张国政[9]计算了水翼在不同运动参数下的水动力性能，分析了水翼的推力以及功率特性，获取了水翼在不同工况下推进性能变化一般规律。

郭春雨等[10]以采取不同前缘结构形式的三维水翼为对象进行了水动力模型试验，分析了水翼在不同摆动速度下的水动力性能。

上述研究中的摆动水翼主要将摆动轴设置在水翼中段，如最大厚度处或几何中心等，但缺少对翼型导边不动而尾缘摆动情况下的水动力分析，故本文针对该情况下不同摆动角度和来流速度的影响展开研究，为水翼的工程应用提供一定参考。

2. 几何模型 2.1. 水翼几何 本文分析的水翼模型采用NACA0012 翼型， 其中来流方向由前缘向后缘方向， 几何模型如图1 所示。