基于晶吻鰩的波動(dòng)推進(jìn)數(shù)值模擬及其實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、自然界中的生物經(jīng)歷了千百萬(wàn)年的大自然的洗禮，最終進(jìn)化為適應(yīng)生存環(huán)境的生物，在這過(guò)程中取得了非凡的環(huán)境適應(yīng)能力。因此，對(duì)自然界中的生物的研究和模仿，有助于提升人類(lèi)的科學(xué)技術(shù)。近年來(lái)，仿生機(jī)械在我國(guó)的海洋開(kāi)發(fā)和水下探測(cè)的需求越來(lái)越多，仿生機(jī)械逐漸成為機(jī)械學(xué)科的新研究熱點(diǎn)。模仿不同游動(dòng)方式的仿生機(jī)器魚(yú)在國(guó)內(nèi)外相繼面世，將給水下推進(jìn)技術(shù)帶來(lái)新的變革。仿生機(jī)器魚(yú)的研制，離不開(kāi)對(duì)魚(yú)游動(dòng)機(jī)理的研究。為深入探索仿生原型的推進(jìn)機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究者采用理論分

2、析和實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法進(jìn)行了研究，但都沒(méi)有獲得與真魚(yú)相媲美的游動(dòng)推進(jìn)效果。因此，本文從揭示晶吻鰩波動(dòng)推進(jìn)機(jī)理出發(fā)，對(duì)仿生晶吻鰩模型的直線(xiàn)前游和轉(zhuǎn)彎等問(wèn)題進(jìn)行研究。
　　以研究仿生對(duì)象的推進(jìn)機(jī)理為出發(fā)點(diǎn)，提出了一種用于求解仿生模型多自由度運(yùn)動(dòng)的數(shù)值方法。首先，建立計(jì)算域（流體域）的控制方程；其次，給定仿生模型的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，建立魚(yú)體域的控制方程；第三，耦合計(jì)算流體域和魚(yú)體域的控制方程，將魚(yú)體的主動(dòng)變形輸入流場(chǎng)中，使魚(yú)體的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到周?chē)鲌?chǎng)

3、域，由于力的作用是相互的，流體會(huì)對(duì)魚(yú)體產(chǎn)生一個(gè)反作用力，從而驅(qū)動(dòng)魚(yú)體在流場(chǎng)中行進(jìn)；最后采用三維形變翼型算例驗(yàn)證了數(shù)值方法的正確性，并將其應(yīng)用到仿生晶吻鰩模型的直線(xiàn)前游和轉(zhuǎn)彎性能的研究中。
　　利用提出的數(shù)值方法，對(duì)仿生晶吻鰩模型直線(xiàn)前游進(jìn)行研究，求解魚(yú)體從靜止開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，逐漸加速直至收斂到穩(wěn)態(tài)游動(dòng)的過(guò)程。分別研究了魚(yú)體胸鰭的波動(dòng)頻率、波數(shù)和幅值對(duì)魚(yú)體的直線(xiàn)前游性能的影響，并據(jù)此判斷不同運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)下仿生晶吻鰩模型的推進(jìn)性能的優(yōu)劣，同時(shí)

4、采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法具體分析各運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)直線(xiàn)前游性能的影響，并建立頻率、波數(shù)和幅值與推進(jìn)速度和推進(jìn)效率之間的函數(shù)關(guān)系式。
　　晶吻鰩需要能應(yīng)付多種突發(fā)狀況，例如急轉(zhuǎn)彎、追趕食物和躲避捕獲等，這些都需要魚(yú)體具有較高的機(jī)動(dòng)性，因此，利用提出的數(shù)值方法，對(duì)仿生晶吻鰩模型的轉(zhuǎn)彎進(jìn)行研究。分別研究了魚(yú)體胸鰭上的頻率、波數(shù)和幅值對(duì)魚(yú)體的轉(zhuǎn)彎性能的影響。采用響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)法具體分析兩種不同轉(zhuǎn)彎方式下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)彎性能的影響，并建立胸鰭上行波反向傳