仿魚類擺動尾鰭推進系統(tǒng)的水動力研究.pdf

1、魚類等水下生物具有高效游動和準確定位的能力。同魚類的游動相比較,應用在無人水下航行器上(Underwater Unmaned Vehicle,UUV)的傳統(tǒng)推進系統(tǒng)由許多螺旋槳組成。這些螺旋槳分布在多個方向上,用來推進和操縱艇體。傳統(tǒng)的推進系統(tǒng)往往占用較大的空間消耗較多的能量。近年來,越來越多的仿生推進系統(tǒng)樣機被開發(fā)出來。在這些系統(tǒng)中,魚體-尾鰭(Body and Caudal Fin,BCF)模式最為普遍。因此,BCF模式的魚類游動引

2、起了眾多學者的關注。本文以研究仿魚類擺動尾鰭推進系統(tǒng)的水動力性能為目的,在研究過程中,以計算流體力學方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)為主要工具,分析了仿魚類擺尾推進系統(tǒng)的推進性能。
　　首先,為了研究擺尾推進系統(tǒng)在復雜流場中的推進性能,采用求解RANS方程的方法計算了二維擺動水翼在振動半圓柱擾動流場中的水動力性能。分析了來流旋渦和水翼擺動生成旋渦之間的相互作用模式。計算結果顯示來流旋渦對水翼

3、的水動力影響很大,水翼能夠從來流旋渦中吸收能量,提高推進效率。
　　其次,研究了尾鰭形狀和柔性變形對擺尾推進系統(tǒng)水動力性能的影響。一方面,對三種不同形狀(仿金槍魚、仿海豚、仿白鯨尾鰭)擺動尾鰭的水動力性能進行了計算。計算結果和實驗結果的比較表明非定常面元法和求解RANS方程的方法都是有效的。尾鰭形狀特別是投影面積對擺動尾鰭的水動力性能有重要影響。通過對三種不同形狀尾鰭的水動力性能進行比較發(fā)現(xiàn):仿金槍魚擺動尾鰭的脫落渦分布范圍最小,

4、推進效率最高。另一方面,研究了具有弦向變形的柔性擺動尾鰭的推進性能。討論了弦向變形相位角對柔性擺動尾鰭水動力性能的影響。研究表明弦向變形相位角能夠減小輸入功率,提高推進效率。通過調整弦向變形相位角可以節(jié)省能量。
　　再次,研究了非對稱運動對仿魚類擺尾推進系統(tǒng)的影響。分別計算了非對稱純搖擺運動、非對稱純升沉運動、搖擺偏移非對稱擺動運動和升沉偏移非對稱擺動運動這四種非對稱運動下擺尾推進系統(tǒng)的水動力性能。研究表明非對稱運動的尾鰭在一個運

5、動周期內產(chǎn)生非對稱的水動力。搖擺偏移能夠導致側向力在一個運動周期內的平均值非零。升沉偏移引起了水動力變化的不連續(xù)。因此,對原來的升沉偏移非對稱模型進行了改進,以消除水動力的跳躍。此外,脫落渦也受到非對稱運動的影響,其分布也不再對稱。
　　最后,采用求解RANS方程的方法數(shù)值模擬了以“仿生-I”為原型的仿金槍魚水下機器人的自主游動過程。提出了一種解決流體-運動耦合問題的方法。以彈簧原理為基礎的動網(wǎng)格技術結合網(wǎng)格重構技術保證了計算網(wǎng)格