Численная оценка квазипропульсивной эффективности машущего крыла

Автор: Ангелина Рафильевна Баймуратова

Соавторы: Васютина Валерия Павловна, Нуриев Артём Наилевич

Организация: Казанский национальный исследовательский технический университет им. А. Н. Туполева — КАИ

Рис.1 Мгновенные поля завихренности для 2D и 3D течений в крейсерском режиме при  .

Исследования эффективности природных колебательных движителей ведутся уже несколько десятилетий. Классическая потенциальная теория Wu (1971) [1] предсказывает КПД машущего крыла, близкий к 100%. Вопрос о достижимости таких показателей в вязкой жидкости остается открытым до сих пор. Расчёт КПД в вязкой жидкости осложнён тем, что традиционный показатель эффективности по Фруду (— средняя чистая тяга, — средняя скорость движения, — средняя затрачиваемая мощность на самодвижение) требует определения чистой тяги , которую невозможно отделить от сопротивления корпуса самоходного тела.

В настоящей работе исследование эффективности машущего крыла проводится в рамках прямого численного моделирования в диапазоне значений числа Рейнольдса . Модель верифицирована по экспериментальным данным [2] при . Для анализа крейсерского режима использована квазипропульсивная эффективность , где — сила сопротивления тела при буксировке в выпрямленном состоянии [3]. При выражение упрощается до , что даёт связь с эффективностью по Фруду.

Расчёты выполнены в пакете OpenFOAM на основе метода конечных объёмов [4] в 2D и 3D постановках. Крыло моделировалось цилиндрическим телом с профилем NACA0012. Сравнение с экспериментом [2] даёт погрешность менее 5%. Квазипропульсивная эффективность в крейсерском режиме может достигать значений, близких к 100%, что подтверждает достижимость высоких показателей, предсказанных потенциальной теорией Wu (1971) [1], даже в вязкой жидкости.

1. Wu T.Y. Hydromechanics of swimming propulsion. Part 2. Some optimum shape problems // Journal of Fluid Mechanics. 1971. Vol. 46. P. 521–544.

2. Read D.A., Hover F.S., Triantafyllou M.S. Forces on oscillating foils for propulsion and maneuvering // Journal of Fluids and Structures. 2003. Vol. 17. No. 1. P. 163–183

3. Maertens A.P., Triantafyllou M.S., Yue D.K.P. Efficiency of fish propulsion // Bioinspiration & Biomimetics. 2015. Vol. 10. No. 4. P. 046013.

4. Nuriev A.N., Baimuratova A.R., Zaitseva O.N., Zhuchkova O.S. The dependence of the propulsive characteristics of a flapping wing on its cross-sectional shape // 2023 Ivannikov Ispras Open Conference (ISPRAS), Moscow, Russian Federation, 2023, P. 135-138