仿生魚群自主游動及控制的研究.pdf

1、本文以前人實驗研究中通過活魚的游動而擬合出來的擺動規(guī)律和三維仿生魚的幾何外形為基礎，進行了水槽中二、三維仿生魚群的自主巡游和機動游動及其控制的數值模擬研究，主要的工作和結論有： 將并行自適應多重網格有限體積法與內置邊界和VOF方法相結合，得到了可用于求解二維和三維動邊界問題的并行自適應多重網格軟件包.并通過圓柱繞流和自主推進俯仰振蕩翼型的數值模擬，驗證了程序的可靠性.在分析了各個參數對二維仿生魚自主巡游影響的基礎上，首次提出了完

2、整的仿生魚自主游動控制方法，即通過調整擺動頻率控制游動速度以及通過頭部擺動控制游動方向.研究結果表明，利用頭部的擺動控制，仿生魚可以實現轉彎和環(huán)形游動等機動游動.轉彎半徑與頭部最大攻角成反比，同時也與參與控制的魚體前部身長所占整個身長的比例成反比； 前人提出的魚群游動中的“槽道效應”的確存在，仿生魚可以利用旁邊的渦來提高自身的推進效率，但前提是后面的仿生魚不能落后太多，當落后超過一個身長以上時，節(jié)能效果將微乎其微.落后半個身長左

3、右時，節(jié)能效果最好.此外，側向距離越近節(jié)能效果也越明顯.但是，在側后方仿生魚節(jié)能的同時，前方仿生魚的能耗卻會增加，而且側向間距越小能量損耗越大.當二維仿生魚利用前方魚的尾渦時，可以節(jié)能15﹪～25﹪左右，與Magnuson估計的魚群編隊游動平均可以節(jié)約10﹪～20﹪的能量基本相吻合.所以利用側向渦的的情況多出現在小魚跟隨大魚的游動中.當體形相差不大的魚做群體游動時，主要依靠前面魚的尾渦來提高自己的推進效率，而“槽道效應”能夠起到的作用很

4、小.在三維仿生魚在自主游動過程中，魚體表面的渦會在肉柄區(qū)脫落，脫落的相位與身體的擺動相位相反.從魚體表面脫落的渦會和尾鰭拖出的同號渦進行合并，從而有效地提高魚游的推進效率；當兩條三維仿生魚串列反位相自主游動時，后一條魚的運動路徑會在前一條魚尾渦的影響下發(fā)生偏移.而且后一條魚的動能相比前一條魚的動能減少了至少4.3﹪.所以當仿生魚對來流中的渦利用不當時，不但不會節(jié)能，而且還會導致能量的損耗；當兩條三維仿生魚并列反位相自主游動時，兩條仿生魚