尾鳍柔性变形对仿金枪机器鱼自主游动的影响

以自由游动为基础,研究和探讨了尾鳍柔性对仿金枪鱼水下机器人自主加速及巡游运动的影响.首先应用计算流体动力学(CFD)技术建立自主游动的计算模型,然后对不同柔性变形参数下的仿金枪鱼的运动和水动力性能进行模拟和分析.结果表明:当仿金枪鱼自主加速到稳定巡游时,其阻力和推力达到平衡;尾涡对推力有增加作用.弦向柔性变形相位角、变形位置、变形幅度及拱度对自主游动的巡游速度和尾鳍水动力性能有重要影响.使弦长前半部分也发生变形可以提高推进效率;当柔性变形落后横移运动π/2相位或取适当的变形幅度和拱度时,仿金枪鱼自主游动的推进效率取得极大值.     

仿生机器鱼快速启动的水动力性能数值模拟

基于计算流体力学(CFD)方法,建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自由游动的计算模型,对仿生金枪鱼模型的C-型快速启动进行了模拟.鱼体由静止开始,经过C-型快速启动之后,进入滑行阶段.对整个过程中鱼体的游动性能、水动力性能、流场速度矢量分布和三维涡结构进行分析.结果表明:在阶段1,鱼体后部快速地弯曲成C-型,首摇角速度ωz快速向负向(顺时针方向)增加至峰值之后缓慢减小,导致鱼体快速转向;在阶段2,鱼体后部快速地弹出C-型,首摇角速度ωz快速向正向(逆时针方向)增加至峰值之后迅速减小,同时纵向速度(Ux)快速向前进方向增加至幅值之后保持不变;在滑行阶段,鱼体以C-型启动获得的Ux向前滑行;在整个C-型启动阶段共有两个涡环产生,每个涡环产生一个射流,在阶段1产生的射流使得鱼体快速转向,在阶段2产生的射流使得鱼体快速向前滑行.     

一种仿生鱼体自主游动的水动力学特性分析

针对金枪鱼结构和自主游动现象建立了仿生鱼体几何模型及鱼体摆动计算模型,采用计算流体动力学Fluent软件结合动网格技术,编写了控制鱼体摆动的UDF程序,对仿生鱼慢速自主巡游状态和C形快速起动状态进行了数值模拟,研究了鱼体摆动频率和摆动方式对仿生鱼周围压力、速度、涡量分布以及鱼体受力状态的影响,揭示了仿生鱼自主游动过程的水动力学特性。研究结果表明:在自主巡游阶段,仿生鱼通过摆动鱼体,在鱼体两侧流场产生高压和低压区,依靠流体的正压梯度获得前进的推动力;在C形快速起动阶段,仿生鱼通过快速大幅度的回摆获得加速度,从而实现快速起动。鱼体自主游动水动力学特性的研究将为仿生水下推进器的概念设计和性能优化提供重要的参考。     

仿鱼类游动模式下的摆动翼水动力性能研究

以二维NACA0012水翼为计算模型,基于计算流体力学(CFD)方法,采用RNGk-ε湍流模型,利用动网格技术,数值计算了不同斯特哈尔数(St)下正弦摆动模式(SM)水翼的平均推力系数,通过与实验对比,验证了计算方法的有效性.基于鱼类身躯的柔性波动,建立了仿鱼类摆动模式(FM)水翼的动力学模型,探讨了不同侧向平移幅值下,两种模式水翼的推进性能.计算结果表明:FM水翼的平均推力始终大于SM水翼,侧向平移幅值为0.8c (c为水翼弦长)处,有最大增量7.2%.尾涡分析表明:侧向平移幅值较小时,两种模式水翼脱落涡呈反卡门涡街形式,FM水翼脱落涡强度高、耗散快;随着侧向平移幅值增大,涡系诱导作用增强,侧向射流增强.     

基于CEL法的柔性仿生机器鱼模型及巡游速度研究

为了研究柔性仿生机器鱼的设计参数(鱼体刚度、鱼体摆动频率、鱼体摆动幅值)对巡游速度的影响规律,并据此得出仿生机器鱼在达到较优巡游速度时的参数组合,文中首先根据耦合欧拉-拉格朗日(简称CEL)法的基本原理建立了柔性仿生机器鱼自主游动的流固耦合模型,然后通过正交试验得到不同组合的设计参数,并通过数值仿真模拟在不同参数组合下仿生机器鱼的巡游表现,最后根据仿真数据统计出各项设计参数对仿生机器鱼巡游速度的影响,并据此得到较优的参数组合。结果表明:CEL法能够考虑柔性仿生机器鱼在游动过程中的柔性变形,因而能够更加真实地反映实际情况中柔性仿生机器鱼的游动行为;在样本范围内,柔性仿生机器鱼模型的巡游速度随着鱼体刚度和鱼体摆动幅值的增加而呈现先增后减的趋势,随着鱼体摆动频率的增加呈现增加的趋势;在鱼体刚度(弹性模量)为30 MPa、鱼体摆动幅值为0.13倍体长、鱼体摆动频率为5.16 Hz时,柔性仿生机器鱼的巡游速度达到较高的水平。     

仿生鲔科机器鱼的多机体协同推进效率优化

推进效率是水下潜器装备运行的核心问题,对机器装备的现实应用具有至关重要的影响.针对仿鲔科鱼类研制的机器鱼,根据鲔科鱼类波状运动特征,将机器鱼体离散为由鱼体、尾鳍、胸鳍等部分组成的多刚体系统,结合鱼体所受外力载荷,运用牛顿欧拉法建立了机器鱼动力学模型.基于该动力学模型,开展了以提高机器鱼的推进效率为目标的鱼体运动参数优化设计,以机器鱼的巡游效率为目标、以鱼体各机体的运动参数为优化设计变量、选用遗传算法为优化算法,进行参数匹配优化;通过优化实现了机器鱼尾鳍、鱼体及胸鳍的多机体协同,提高了机器鱼的推进效率.针对优化匹配设计结果,进一步开展了机器鱼的运动学数值模拟仿真,结果表明机器鱼的巡游速度在数值上为鱼体长度的1. 415倍时,机器鱼的推进效率最高,其值达到最大值49. 9%.     

仿鱼推进器的水动力性能研究

结合仿鱼推进双体船的实验模型,在解决了单体单尾机器鱼运动时摇艏问题的基础上,建立仿鱼推进器尾鳍运动的数值计算模型,用面元法计算尾柄与尾鳍以不同相位角摆动时尾鳍的平均推力性能和平均推进效率曲线,计算尾柄与尾鳍同相位摆动时尾鳍摆动频率与摆动过程中最大推力的关系曲线,从计算结果可以看出,对于双体双尾仿鱼推进器在设计中尾柄和尾鳍可以刚性联接,并适当增加尾鳍的摆动频率可以极大地提高尾鳍摆动过程中产生的最大推力,提高仿鱼推进器的推进功率.     

鲤鱼尾鳍对鱼体阻力特性影响的数值模拟

采用逆向工程方法获取了鲤鱼外形的三维点云数据,构建了鲤鱼三维模型,应用k-ωSST湍流模型对比模拟研究鲤鱼尾鳍对鱼体阻力特性的影响。结果表明:在未考虑鲤鱼表面黏性的条件下,鲤鱼摩擦阻力占总阻力的比例略大;鲤鱼尾鳍可显著减小鱼体压差阻力,来流速度为10m/s时,有尾鳍的鱼体模型压差阻力较无尾鳍的鱼体模型降低了4.95%;尾鳍在不同来流速度下均可显著减小鱼体模型压差阻力占总阻力的比例,最大减小了4%。     

尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响

研究了尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响. 设计了一套摆尾仿生推进装置,实验分析了仿金枪鱼、仿海豚、仿白鲸3种尾鳍的推进性能. 同时采用数值方法对尾鳍的水动力性能进行了计算. 实验和数值结果表明,仿金枪鱼尾鳍的平均推力系数和输入功率系数最小,推进效率最高. 对尾涡的分析表明,仿金枪鱼尾鳍尾涡强度最弱,分布范围最小.     

巡航状态下泵喷推进潜艇尾部喷流涡特性研究

采用DES(分离涡模型)湍流模型对巡航状态下泵-艇一体化模型进行全流域非定常数值模拟,利用Ω准则识别捕捉不同航速的泵喷尾部流场中的涡结构,研究喷流涡的动力学特性．结果表明：潜艇和泵喷推进器外部绕流与尾部喷流相互作用,产生不同的流场区域,随着航速增加无旋区和流场扩散区范围增加,艇体绕流和尾部喷流以更快的速度产生强耦合作用,并沿着潜艇前进的反方向发展和运动;随着航速增加毂涡变化区间不断增加,剪切层涡的范围和能量及脱落涡的能量也随着航速的增加而增加;旋转周期内,流场中部毂涡和脱落涡相互影响较弱,两种涡沿着叶轮旋转方向做无周期的旋转运动,流场尾部两种涡产生复杂影响,随时间产生无规则变化及运动．