仿胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)水動(dòng)力性能理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、微小型仿生水下機(jī)器人具有航行噪聲小,阻力低,隱身性能好,欺騙性強(qiáng),突擊能力強(qiáng),成本低,可批量生產(chǎn)等特點(diǎn),在海軍裝備建設(shè)和海洋開(kāi)發(fā)領(lǐng)域有極為廣闊的應(yīng)用前景。仿生水下機(jī)器人以擺動(dòng)尾鰭推進(jìn),只有配合胸鰭才能實(shí)現(xiàn)靈活的操縱和自身姿態(tài)的隨意控制。大自然中許多魚(yú)類利用運(yùn)動(dòng)復(fù)雜的胸鰭進(jìn)行操縱,可很好地實(shí)現(xiàn)懸浮、前進(jìn)和倒退。國(guó)內(nèi)外對(duì)仿生水下機(jī)器人的研究工作多集中于尾鰭方面,而對(duì)于胸鰭的推進(jìn)機(jī)理和性能的研究還很少,因此研究魚(yú)類胸鰭的推進(jìn)機(jī)理和性能,探討利

2、用胸鰭實(shí)現(xiàn)仿生水下機(jī)器人靈活操縱的方法具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文采用計(jì)算流體力學(xué)的方法,研究仿胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力性能與推進(jìn)機(jī)理。本文的主要工作包括以下幾部分內(nèi)容。
　　 1.以魚(yú)類胸鰭為研究模型,建立仿胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)的二自由度模型,并在此基礎(chǔ)上提出其柔性變形模式,運(yùn)用基于并行算法的CFD方法探討了其水動(dòng)力性能。文中首先從剛體運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律出發(fā),提出了計(jì)算胸鰭推進(jìn)效率的合理公式,并將其擴(kuò)展到后續(xù)研究工作中。其次分析了二自

3、由度運(yùn)動(dòng)模式下各控制參數(shù)對(duì)仿胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)的影響,得到了優(yōu)化的剛性胸鰭二自由度運(yùn)動(dòng)模式下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。最后針對(duì)其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)以及特殊外形,采用對(duì)三維空間流場(chǎng)分別做切片的方法,并在各切片上做出尾渦渦量的等值線圖,通過(guò)各切片上尾渦渦量一個(gè)周期內(nèi)隨胸鰭運(yùn)動(dòng)的演變過(guò)程,進(jìn)而探究剛性、柔性胸鰭的推進(jìn)機(jī)理。在并行計(jì)算柔性胸鰭水動(dòng)力性能時(shí),采取特殊的分區(qū)方法消除表面網(wǎng)格點(diǎn)的錯(cuò)誤運(yùn)動(dòng)。
　　 2.首先建立仿胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)的三自由度運(yùn)動(dòng)模型。接著探討了胸鰭

4、三自由度運(yùn)動(dòng)模式下,上下拍翼運(yùn)動(dòng)各控制參數(shù)對(duì)其水動(dòng)力性能的影響。采用對(duì)三維空問(wèn)流場(chǎng)做切片的方法,分析剛、柔性胸鰭三自由度模式下的推進(jìn)機(jī)理:同時(shí)結(jié)合胸鰭表面壓力分布情況,分析該運(yùn)動(dòng)模式下水動(dòng)力性能曲線與尾渦脫落之間關(guān)系。通過(guò)對(duì)耦合運(yùn)動(dòng)的分解,得到了不同運(yùn)動(dòng)方式對(duì)仿胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)水動(dòng)力性能的貢獻(xiàn)。
　　 3.研究基于升力(lift-based)運(yùn)動(dòng)模式的剛性拍動(dòng)翼的水動(dòng)力性能及推進(jìn)機(jī)理。首先以類企鵝拍動(dòng)翼為研究對(duì)象,運(yùn)用面元法和CFD

5、方法計(jì)算了三維剛性拍動(dòng)翼的水動(dòng)力性能。其次詳細(xì)探討了拍動(dòng)翼的各個(gè)運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)對(duì)其水動(dòng)力性能的影響。最后將對(duì)三維空間流場(chǎng)做切片的方法應(yīng)用于該模式,探究拍動(dòng)翼的尾渦系的演變過(guò)程。
　　 4.研發(fā)了一個(gè)具有二自由度運(yùn)動(dòng)模式的仿胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置;其次完成了實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)試并進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)研究工作;最后將數(shù)值計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,完善了研究胸鰭二自由度運(yùn)動(dòng)模式水動(dòng)力性能的手段,為今后仿魚(yú)類胸鰭推進(jìn)系統(tǒng)