This paper researched into the harmonic and anharmonic underwater flapping foil propulsion systems to improve the efficiency of these bioinspired propulsors. The angle of attack, the pitching angle, the heaving amplitude, and the phase difference are parametrically investigated in this paper. A rigid two-dimensional NACA (National Advisory Committee for Aeronautics) 0012 airfoil is modeled with the aid of a commercial computational fluid dynamics software, FINE™/Marine. Unsteady Reynolds Average Navier-Stokes (URANS) equation is solved together with dynamic mesh to simulate the foil motion. The investigation first verifies the reliability of the developed modeling method against the benchmark data. Then, the systematic investigation is conducted and identifies that the heaving amplitude is most influential factor for the propulsion efficiency. Secondly, phase difference also has a significant influence on efficiency, but this effect is related to the reference working condition, which needs further study. Then, the pitching amplitude has little effect on the maximum efficiency value of flapping foil, while it will affect its optimal speed range. When the heaving amplitude ratio reaches 3 and the corresponding maximum angle of attack is about 9°, the maximum efficiency can reach 87%. The effect of anharmonic motion on the efficiency is very small and varies with the St number, but in summary, it can maintain the peak efficiency over a wider range of operations. In addition, the force and flow field characteristics of different efficiency points are compared and analyzed to distinguish their corresponding relationship with the propulsion efficiency.

中文翻译：

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水下扑翼推进器参数分析

本文研究了谐波和非谐波水下扑翼推进系统，以提高这些仿生推进器的效率。本文对攻角、俯仰角、垂荡幅度和相位差进行了参数研究。在商用计算流体动力学软件 FINE™/Marine 的帮助下，对刚性二维 NACA（国家航空咨询委员会）0012 机翼进行建模。非定常雷诺平均纳维-斯托克斯 (URANS) 方程与动态网格一起求解以模拟箔运动。调查首先根据基准数据验证开发的建模方法的可靠性。然后，进行了系统调查，并确定了垂荡幅度是对推进效率影响最大的因素。其次，相位差对效率也有显着影响，但这种影响与参考工况有关，需要进一步研究。那么，俯仰幅度对扑翼最大效率值影响不大，但会影响其最佳速度范围。当垂荡幅度比达到3，对应的最大迎角约为9°时，最大效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。相位差对效率也有显着影响，但这种影响与参考工况有关，需要进一步研究。那么，俯仰幅度对扑翼最大效率值影响不大，但会影响其最佳速度范围。当垂荡幅度比达到3，对应的最大迎角约为9°时，最大效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。相位差对效率也有显着影响，但这种影响与参考工况有关，需要进一步研究。那么，俯仰幅度对扑翼最大效率值影响不大，但会影响其最佳速度范围。当垂荡幅度比达到3，对应的最大迎角约为9°时，最大效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。但这种影响与参考工作条件有关，需要进一步研究。那么，俯仰幅度对扑翼最大效率值影响不大，但会影响其最佳速度范围。当垂荡幅度比达到3，对应的最大迎角约为9°时，最大效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。但这种影响与参考工作条件有关，需要进一步研究。那么，俯仰幅度对扑翼最大效率值影响不大，但会影响其最佳速度范围。当垂荡幅度比达到3，对应的最大迎角约为9°时，最大效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小，并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。俯仰幅度对扑翼最大效率值影响不大，但会影响其最佳速度范围。当垂荡幅度比达到3，对应的最大迎角约为9°时，最大效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。俯仰幅度对扑翼最大效率值影响不大，但会影响其最佳速度范围。当垂荡幅度比达到3，对应的最大迎角约为9°时，最大效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。最高效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。最高效率可达87%。非谐波运动对效率的影响非常小，并且随 St 数变化，但总而言之，它可以在更广泛的操作范围内保持峰值效率。此外，通过对比分析不同效率点的力场和流场特性，区分它们与推进效率的对应关系。