仿胸鰭推進系統(tǒng)水動力性能理論與實驗研究.pdf

1、微小型仿生水下機器人具有航行噪聲小,阻力低,隱身性能好,欺騙性強,突擊能力強,成本低,可批量生產(chǎn)等特點,在海軍裝備建設和海洋開發(fā)領(lǐng)域有極為廣闊的應用前景。仿生水下機器人以擺動尾鰭推進,只有配合胸鰭才能實現(xiàn)靈活的操縱和自身姿態(tài)的隨意控制。大自然中許多魚類利用運動復雜的胸鰭進行操縱,可很好地實現(xiàn)懸浮、前進和倒退。國內(nèi)外對仿生水下機器人的研究工作多集中于尾鰭方面,而對于胸鰭的推進機理和性能的研究還很少,因此研究魚類胸鰭的推進機理和性能,探討利

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

3、由度運動模式下各控制參數(shù)對仿胸鰭推進系統(tǒng)的影響,得到了優(yōu)化的剛性胸鰭二自由度運動模式下的運動參數(shù)。最后針對其運動特點以及特殊外形,采用對三維空間流場分別做切片的方法,并在各切片上做出尾渦渦量的等值線圖,通過各切片上尾渦渦量一個周期內(nèi)隨胸鰭運動的演變過程,進而探究剛性、柔性胸鰭的推進機理。在并行計算柔性胸鰭水動力性能時,采取特殊的分區(qū)方法消除表面網(wǎng)格點的錯誤運動。
　　 2.首先建立仿胸鰭推進系統(tǒng)的三自由度運動模型。接著探討了胸鰭

4、三自由度運動模式下,上下拍翼運動各控制參數(shù)對其水動力性能的影響。采用對三維空問流場做切片的方法,分析剛、柔性胸鰭三自由度模式下的推進機理:同時結(jié)合胸鰭表面壓力分布情況,分析該運動模式下水動力性能曲線與尾渦脫落之間關(guān)系。通過對耦合運動的分解,得到了不同運動方式對仿胸鰭推進系統(tǒng)水動力性能的貢獻。
　　 3.研究基于升力(lift-based)運動模式的剛性拍動翼的水動力性能及推進機理。首先以類企鵝拍動翼為研究對象,運用面元法和CFD

5、方法計算了三維剛性拍動翼的水動力性能。其次詳細探討了拍動翼的各個運動控制參數(shù)對其水動力性能的影響。最后將對三維空間流場做切片的方法應用于該模式,探究拍動翼的尾渦系的演變過程。
　　 4.研發(fā)了一個具有二自由度運動模式的仿胸鰭推進系統(tǒng)的實驗裝置;其次完成了實驗裝置的測試并進行了大量實驗研究工作;最后將數(shù)值計算的結(jié)果與實驗結(jié)果進行對比。通過與數(shù)值模擬方法相結(jié)合,完善了研究胸鰭二自由度運動模式水動力性能的手段,為今后仿魚類胸鰭推進系統(tǒng)