基于柔性鰭波動(dòng)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(jī)動(dòng)能力、能耗、噪音等方面存在不足,因此,設(shè)計(jì)高性能水下推進(jìn)器已成為各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)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(dú)特形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式。其中柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)模式與傳統(tǒng)的魚類身體/尾鰭(body and/or caudal fin,簡(jiǎn)稱BCF)推進(jìn)模式相比,屬于中央鰭/對(duì)鰭(medi

2、an and/or paired fin,簡(jiǎn)稱MPF)推進(jìn)模式,具有低速下高效、高機(jī)動(dòng)性和低流體擾動(dòng)等顯著優(yōu)點(diǎn),為未來水下推進(jìn)器的仿生設(shè)計(jì)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(jī)動(dòng)靈活、抗擾動(dòng)能力強(qiáng)的特點(diǎn),對(duì)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?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　 論文主要圍繞柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、水動(dòng)力學(xué)建模及數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證三方面展開:

3、　　 首先,基于動(dòng)量守恒定律對(duì)柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)模型進(jìn)行水動(dòng)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(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法,并對(duì)兩種建模方法進(jìn)行了分析與比較。
　　 其次,以刀魚長(zhǎng)背鰭為研究對(duì)象,提出一種新型柔性長(zhǎng)背鰭波動(dòng)模型并通過波動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)對(duì)柔性長(zhǎng)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(duì)柔性長(zhǎng)鰭進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模并采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynam

4、ics,簡(jiǎn)稱CFD)方法對(duì)柔性長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維數(shù)值計(jì)算,揭示了柔性鰭波動(dòng)時(shí)周圍流體的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)分布特征,同時(shí)揭示了柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)力的變化周期是鰭波動(dòng)周期的一半。
　　 然后,仿生設(shè)計(jì)并研制了一套基于柔性長(zhǎng)鰭波動(dòng)的仿生推進(jìn)裝置,該裝置采用單電機(jī)驅(qū)動(dòng),依靠柔性鰭自身與流體的相互作用傳遞行波實(shí)現(xiàn)推進(jìn)。同時(shí)開展水下推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型及數(shù)值計(jì)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(dòng)的推進(jìn)機(jī)理及提高推進(jìn)性能的研究提供理論指導(dǎo)及實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 為了進(jìn)一步提高柔性鰭波動(dòng)推進(jìn)性能,以槍烏賊為研究對(duì)象提出柔性雙鰭波動(dòng)推進(jìn)方式,并基于流固耦合建模的數(shù)值計(jì)算方法對(duì)柔性雙鰭波動(dòng)推進(jìn)性能進(jìn)行優(yōu)化評(píng)估,實(shí)現(xiàn)三維流固耦合數(shù)值計(jì)算,在此基礎(chǔ)上完成柔性雙鰭波動(dòng)推進(jìn)仿生系統(tǒng)的樣機(jī)研制并開展了水下推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證雙鰭波動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性?；诹鞴恬詈辖５臄?shù)值計(jì)算方法是一種有效的柔性鰭波