仿生魚(yú)群自主游動(dòng)及控制的研究.pdf

1、本文以前人實(shí)驗(yàn)研究中通過(guò)活魚(yú)的游動(dòng)而擬合出來(lái)的擺動(dòng)規(guī)律和三維仿生魚(yú)的幾何外形為基礎(chǔ)，進(jìn)行了水槽中二、三維仿生魚(yú)群的自主巡游和機(jī)動(dòng)游動(dòng)及其控制的數(shù)值模擬研究，主要的工作和結(jié)論有： 將并行自適應(yīng)多重網(wǎng)格有限體積法與內(nèi)置邊界和VOF方法相結(jié)合，得到了可用于求解二維和三維動(dòng)邊界問(wèn)題的并行自適應(yīng)多重網(wǎng)格軟件包.并通過(guò)圓柱繞流和自主推進(jìn)俯仰振蕩翼型的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了程序的可靠性.在分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)二維仿生魚(yú)自主巡游影響的基礎(chǔ)上，首次提出了完

2、整的仿生魚(yú)自主游動(dòng)控制方法，即通過(guò)調(diào)整擺動(dòng)頻率控制游動(dòng)速度以及通過(guò)頭部擺動(dòng)控制游動(dòng)方向.研究結(jié)果表明，利用頭部的擺動(dòng)控制，仿生魚(yú)可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和環(huán)形游動(dòng)等機(jī)動(dòng)游動(dòng).轉(zhuǎn)彎半徑與頭部最大攻角成反比，同時(shí)也與參與控制的魚(yú)體前部身長(zhǎng)所占整個(gè)身長(zhǎng)的比例成反比； 前人提出的魚(yú)群游動(dòng)中的“槽道效應(yīng)”的確存在，仿生魚(yú)可以利用旁邊的渦來(lái)提高自身的推進(jìn)效率，但前提是后面的仿生魚(yú)不能落后太多，當(dāng)落后超過(guò)一個(gè)身長(zhǎng)以上時(shí)，節(jié)能效果將微乎其微.落后半個(gè)身長(zhǎng)左

3、右時(shí)，節(jié)能效果最好.此外，側(cè)向距離越近節(jié)能效果也越明顯.但是，在側(cè)后方仿生魚(yú)節(jié)能的同時(shí)，前方仿生魚(yú)的能耗卻會(huì)增加，而且側(cè)向間距越小能量損耗越大.當(dāng)二維仿生魚(yú)利用前方魚(yú)的尾渦時(shí)，可以節(jié)能15﹪～25﹪左右，與Magnuson估計(jì)的魚(yú)群編隊(duì)游動(dòng)平均可以節(jié)約10﹪～20﹪的能量基本相吻合.所以利用側(cè)向渦的的情況多出現(xiàn)在小魚(yú)跟隨大魚(yú)的游動(dòng)中.當(dāng)體形相差不大的魚(yú)做群體游動(dòng)時(shí)，主要依靠前面魚(yú)的尾渦來(lái)提高自己的推進(jìn)效率，而“槽道效應(yīng)”能夠起到的作用很

4、小.在三維仿生魚(yú)在自主游動(dòng)過(guò)程中，魚(yú)體表面的渦會(huì)在肉柄區(qū)脫落，脫落的相位與身體的擺動(dòng)相位相反.從魚(yú)體表面脫落的渦會(huì)和尾鰭拖出的同號(hào)渦進(jìn)行合并，從而有效地提高魚(yú)游的推進(jìn)效率；當(dāng)兩條三維仿生魚(yú)串列反位相自主游動(dòng)時(shí)，后一條魚(yú)的運(yùn)動(dòng)路徑會(huì)在前一條魚(yú)尾渦的影響下發(fā)生偏移.而且后一條魚(yú)的動(dòng)能相比前一條魚(yú)的動(dòng)能減少了至少4.3﹪.所以當(dāng)仿生魚(yú)對(duì)來(lái)流中的渦利用不當(dāng)時(shí)，不但不會(huì)節(jié)能，而且還會(huì)導(dǎo)致能量的損耗；當(dāng)兩條三維仿生魚(yú)并列反位相自主游動(dòng)時(shí)，兩條仿生魚(yú)