基于柔性體模型的鲹科魚游動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究.pdf

1、仿魚機(jī)器人相比于傳統(tǒng)水下航潛器具有高效、高速以及高機(jī)動(dòng)性等優(yōu)點(diǎn),因此近年來(lái)人們?cè)诜卖~機(jī)器人的研制以及魚類推進(jìn)機(jī)理的研究上不遺余力。其中對(duì)于魚類推進(jìn)機(jī)理的研究,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和計(jì)算流體理論的不斷進(jìn)步,越來(lái)越多地利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真。數(shù)值仿真研究具有不受實(shí)驗(yàn)條件影響、可重復(fù)性好以及可最大程度地模擬自然環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的商業(yè)CFD軟件雖然具有應(yīng)用面廣泛等優(yōu)點(diǎn),但是在計(jì)算效率以及精度上還存在較大的提升空間,而且在流體計(jì)算理論上存

2、在一定的滯后性。因此本文以揭示仿生推進(jìn)機(jī)理為目標(biāo),拋棄商業(yè)CFD軟件,利用所提出的數(shù)值求解方法對(duì)魚體高速高效自主游動(dòng)機(jī)理進(jìn)行水動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究。
　　沉浸邊界法為一種采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的數(shù)值有限差分法,通過(guò)在虛擬邊界上施加反饋力以使邊界滿足無(wú)滑移條件,計(jì)算中不需要重構(gòu)網(wǎng)格,計(jì)算效率與精度較高。本文提出基于沉浸邊界法的數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)流場(chǎng)中的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)以及邊界反饋力的求解方程進(jìn)行詳細(xì)的推導(dǎo)與闡述。利用圓柱繞流以及簡(jiǎn)諧振動(dòng)圓柱模型的仿

3、真驗(yàn)證了算法的正確性與程序的強(qiáng)壯性,為魚體游動(dòng)的仿真奠定了基礎(chǔ)。
　　建立了魚體波動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型以及力學(xué)參數(shù)的計(jì)算模型,采用提出的數(shù)值算法對(duì)固定魚體擺動(dòng)進(jìn)行數(shù)值仿真研究,通過(guò)觀察流場(chǎng)壓力與渦量分布,探討了擺動(dòng)魚體推進(jìn)力的來(lái)源。調(diào)整擺動(dòng)頻率、擺動(dòng)幅值以及尾鰭最大擊水角等參數(shù),通過(guò)數(shù)值仿真探討推進(jìn)力隨這些參數(shù)的變化規(guī)律。
　　為了使魚體最大化地接近真魚游動(dòng)狀態(tài),采用提出的數(shù)值算法,對(duì)魚體進(jìn)行了自主游動(dòng)仿真。建立了自主游動(dòng)動(dòng)力學(xué)模