基于柔性鰭波動的水下仿生系統(tǒng)推進(jìn)性能研究.pdf

1、水下推進(jìn)器在海洋資源的勘探技術(shù)裝備開發(fā)中起著越來越重要的作用,傳統(tǒng)的水下推進(jìn)器多采用螺旋槳推進(jìn),在效率、機動能力、能耗、噪音等方面存在不足,因此,設(shè)計高性能水下推進(jìn)器已成為各國關(guān)注的熱點和核心問題之一。魚類作為海洋的主要“居民”經(jīng)過上億年的進(jìn)化和自然選擇,形成了適合海洋環(huán)境的獨特形態(tài)和運動方式。其中柔性鰭波動推進(jìn)模式與傳統(tǒng)的魚類身體/尾鰭(body and/or caudal fin,簡稱BCF)推進(jìn)模式相比,屬于中央鰭/對鰭(medi

2、an and/or paired fin,簡稱MPF)推進(jìn)模式,具有低速下高效、高機動性和低流體擾動等顯著優(yōu)點,為未來水下推進(jìn)器的仿生設(shè)計提供了新的選擇,采用此種推進(jìn)模式的仿生推進(jìn)器不僅適用于遠(yuǎn)距離航行,還具有小范圍機動靈活、抗擾動能力強的特點,對海洋資源的勘探技術(shù)裝備開發(fā)甚至軍事方面具有重要的理論研究價值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　 論文主要圍繞柔性鰭波動推進(jìn)仿生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、水動力學(xué)建模及數(shù)值計算和實驗驗證三方面展開:

3、　　 首先,基于動量守恒定律對柔性鰭波動推進(jìn)模型進(jìn)行水動力分析,提出基于三維非定常流體控制方程組和基于流固耦合控制方程組的柔性鰭波動系統(tǒng)動力學(xué)建模方法,并對兩種建模方法進(jìn)行了分析與比較。
　　 其次,以刀魚長背鰭為研究對象,提出一種新型柔性長背鰭波動模型并通過波動性能實驗對柔性長鰭進(jìn)行優(yōu)化,采用基于三維非定常流體控制方程組的建模方法對柔性長鰭進(jìn)行動力學(xué)建模并采用計算流體動力學(xué)(computational fluid dynam

4、ics,簡稱CFD)方法對柔性長鰭波動推進(jìn)運動實現(xiàn)三維數(shù)值計算,揭示了柔性鰭波動時周圍流體的壓力場、速度場分布特征,同時揭示了柔性鰭波動推進(jìn)力的變化周期是鰭波動周期的一半。
　　 然后,仿生設(shè)計并研制了一套基于柔性長鰭波動的仿生推進(jìn)裝置,該裝置采用單電機驅(qū)動,依靠柔性鰭自身與流體的相互作用傳遞行波實現(xiàn)推進(jìn)。同時開展水下推進(jìn)性能實驗,驗證系統(tǒng)設(shè)計的可行性和可靠性。通過數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果的對比,驗證了動力學(xué)模型及數(shù)值計算方法的合

5、理性與準(zhǔn)確性,為進(jìn)一步分析柔性鰭波動的推進(jìn)機理及提高推進(jìn)性能的研究提供理論指導(dǎo)及實驗基礎(chǔ)。
　　 為了進(jìn)一步提高柔性鰭波動推進(jìn)性能,以槍烏賊為研究對象提出柔性雙鰭波動推進(jìn)方式,并基于流固耦合建模的數(shù)值計算方法對柔性雙鰭波動推進(jìn)性能進(jìn)行優(yōu)化評估,實現(xiàn)三維流固耦合數(shù)值計算,在此基礎(chǔ)上完成柔性雙鰭波動推進(jìn)仿生系統(tǒng)的樣機研制并開展了水下推進(jìn)性能實驗,驗證雙鰭波動系統(tǒng)設(shè)計的可行性和可靠性。基于流固耦合建模的數(shù)值計算方法是一種有效的柔性鰭波