摘要
随着人类对自然界的认知不断加深，仿生表面减阻技术逐渐成为流体减阻领域的研究热点，其中仿生鲨鱼盾鳞鳞片因其优异的减阻性能被广泛应用于飞机和舰船等设备的表面。本文考虑到水动力激励与Stewart机构工作时受到的多维振动激励存在相似性，将微小化的Stewart机构与仿生盾鳞鳞片相结合，构建了一种仿生盾鳞蒙皮结构来减小水下航行器表面所受阻力，并基于浸入边界法对其减阻性能进行了研究。 本文主要进行了以下几个方面的工作: (1)完成了仿生盾鳞蒙皮的结构设计。基于仿生盾鳞鳞片优异的减阻特性，将其与微小化的Stewart机构相结合并按覆瓦式排列构建了一种新型仿生盾鳞蒙皮结构。确定了仿生盾鳞鳞片和微小化Stewart机构的关键结构参数以保证蒙皮的多维运动特性。在机构动力学分析软件Adams中建立了蒙皮动力学模型并施加了相关约束条件和湍流激励，以振级落差为评价指标分析了不同支腿结构参数下蒙皮的隔振性能。 (2)完成了蒙皮流固耦合控制方程的建立及离散化。根据蒙皮流固耦合界面大变形特点，采用浸入边界法建立了蒙皮的流固耦合控制方程来对其减阻特性进行数值模拟。为保证数值计算结果的准确性和稳定性，选择了惩罚参数法处理浸入边界质量问题，并根据时间步长确定了合适的惩罚参数。以惩罚参数法为基础对流固耦合控制方程进行了空间和时间离散，并通过算例验证说明了该数值计算方法的可行性和准确性。 (3)建立了仿生盾鳞蒙皮的仿真模型并自定义了数值求解器。在IBAMR中利用内置的离散化建模单元建立了蒙皮仿真模型和相应的流场域，并根据Berger-Rigoustsos聚类算法完成了流体域局部网格的自适应细化。通过移植惩罚参数法嵌入到主程序、编写阻力计算程序、设定求解器相关参数完成了自定义数值求解器的建立，并编写了Makefile文件对求解器进行编译，从而实现蒙皮表面流体阻力的定向输出。 (4)分析了结构参数和雷诺数对蒙皮减阻性能的影响。分析了仿生盾鳞鳞片表面的弹性模量、微Stewart机构支腿部分的支撑刚度与阻尼系数、蒙皮单元的分布间距以及上平台的质量与质心高度对蒙皮减阻性能的影响，进而对蒙皮的结构参数进行了优化配置。在不同工况下分析了雷诺数对结构参数优化后蒙皮减阻性能的影响。研究发现，蒙皮的相对减阻率随雷诺数的增加呈现先增大后减小的趋势，最大减阻率可达到15.78％。
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