Энергоэффективные режимы пропульсивного движения рыбоподобного пловца

Автор: Дамир Альбертович Исмагилов

Соавторы: Нуриев Артем Наилевич

Организация: Казанский (Приволжский) федеральный университет, Институт математики и механики им. Н.И. Лобачевского

Интерес к изучению пропульсивных механизмов возник довольно давно. Одной из причин привлекательности рыбоподобных пловцов является их высокая эффективность. По общеизвестной оценке Лайтхилла [1] этот показатель может достигать 90 процентов для биомиметических движетелей, в то время как для гребных винтов он варьируется от 50 до 70 процентов. С начала 90-х годов 20-го века исследования в области формирования тяги за счет изменения формы вышли на качественно новый уровень благодаря методам численного моделирования. В данной работе основной задачей является достижение наиболее высокого показателя эффективности пропульсивного пловца и оценка его гидродинамических показателей.

Исследуется гидродинамика рыбоподобного пловца, представляющего собой цилиндрическое тело с сечением в форме профиля NACA0012. Пловец движется поступательно с постоянной скоростью U вдоль оси Ox, совершая колебания по заданному закону движения, представляющему из себя бегущую вдоль тела волну. Амплитуда колебаний определяется огибающей, которая описывается полином второй степени.

За управляющие уравнения приняты безразмерные уравнения Навье-Стокса и неразрывности. Решение проводится с помощью численной модели на базе библиотеки OpenFOAM при числах Рейнольдса до 80000, что при характерной частоте колебаний 2.5 Гц соответствует длине пловца 0.2 м и скорости 0.4 м/с в воде.

По итогам моделирования были достигнуты следующие результаты:

• Разработана численная схема для моделирования движения пловца.

• Установлены зависимости коэффициентов продольной силы, мощности и эффективности от различных кинематических параметров в крейсерском режиме и при постоянной скорости потока.

• Подтверждены соотношения Бейнбриджа [2], [3].

• Установлены оптимальные кинематические параметры пловца, позволяющие достичь максимальной эффективности движения.