仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

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)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.     

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.     

前置水翼对摆动翼水动力性能影响机理研究

为研究双体干扰对摆动翼水动力性能的影响机理,基于计算流体力学(CFD)方法,针对均匀来流、前置水翼刚性静止及柔性波动尾流场中摆动翼的水动力性能开展数值研究．通过改变摆动翼的平移幅值和运动频率计算推力系数、功率消耗及推进效率的变化趋势,以流场的压力分布云图、纵向速度分布云图及涡结构的演变特征分析前置水翼对摆动翼推进性能影响的机理．计算结果表明：前置水翼的存在能够提升摆动翼的推进性能,并且前置水翼进行柔性波动运动时摆动翼的推进性能最优;前置水翼的尾缘脱落的涡能够融于摆动翼表面的附着涡,提升附着涡的强度;上游的柔性波动水翼尾缘处脱落一个强度较大的尾缘涡,对摆动翼表面的附着涡产生挤压作用,提升附着涡的强度并加速附着涡的脱落．     

应用改进流体体积法的楔形体斜向入水研究

为了精确追踪入水冲击中含有气体的自由面,在现有流体体积(VOF)法中引入连续表面张力(CSF)模型对气-液界面处压力进行连续化处理,添加对流项以减少体积分数的数值耗散,并耦合水平集函数保证自由表面的尖锐性.应用改进的VOF法对多个倾斜角下楔形体的入水过程进行数值模拟,并分析了砰击压力和自由面特性.研究表明:在保证相同自由面分辨率的情况下,改进的VOF法能减少1/3的网格数量;数值结果较好地反映了斜向入水过程中出现的空气流通现象,砰击压力峰值与实验值吻合良好;当底升角小于10°时出现明显气穴效应,数值结果与实验值相差10%,而解析解的误差达到40%,说明气穴对砰击压力具有重要影响,改进的VOF法对解决这类入水问题具有精度高的优势.     

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.