本文關(guān)鍵詞：仿生尾鰭推進(jìn)機(jī)理分析與減阻研究

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【摘要】：隨著社會不斷發(fā)展,陸上資源日趨枯竭,人類將目光投向了廣袤的海洋。水下機(jī)器人作為海洋資源勘探開發(fā)的重要手段越來越受到海洋大國的重視,成為目前海洋技術(shù)研究的熱點。傳統(tǒng)水下機(jī)器人一般采用螺旋槳推進(jìn)器,其推進(jìn)效率低、靈活性差、噪音大等缺點已成為制約水下機(jī)器人推廣應(yīng)用的瓶頸。研制開發(fā)高效、高機(jī)動和高靈活性的新型水下推進(jìn)系統(tǒng),是水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然選擇,也是目前水下機(jī)器人技術(shù)研究的熱點方向。魚類經(jīng)過億萬年的自然進(jìn)化,擁有了非凡的水下運動能力,不但具有低能耗、高效率的推進(jìn)方式,而且具有很高的機(jī)動性和靈活性。魚類的推進(jìn)方式為新型仿生機(jī)器人及仿生推進(jìn)技術(shù)提供了新思路,開展仿生尾鰭推進(jìn)機(jī)理研究對開發(fā)新型水下推進(jìn)系統(tǒng)具有重要的理論意義。本文以海洋中游速較快的旗魚為研究對象,通過分析旗魚尾鰭擺動時產(chǎn)生的流場結(jié)構(gòu),初步探究旗魚尾鰭推進(jìn)的機(jī)理,并進(jìn)行了仿生機(jī)構(gòu)的運動擬合。研究結(jié)論如下。首先,通過逆向工程技術(shù)提取旗魚模型尾鰭的數(shù)據(jù),利用Fluent動網(wǎng)格技術(shù),對魚尾的沉浮俯仰耦合運動的非定常流場進(jìn)行了數(shù)值計算,利用獲得的尾流區(qū)域流場特征圖,分析了隨體渦流和反卡門渦街產(chǎn)生的原理。在此基礎(chǔ)上,探討了沉浮-俯仰運動相位差、尾鰭擺幅、斯德魯哈爾數(shù)(Strouhal Number)等參數(shù)對魚類推進(jìn)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明,尾鰭擺動形成的對稱旋向的隨體渦流演化為向后的射流,從而推進(jìn)魚體高效前進(jìn)；尾鰭運動參數(shù)在一定范圍內(nèi)的優(yōu)化配合可使魚體獲得較高的推進(jìn)力。其次,將魚體三維模型和回轉(zhuǎn)體水下航行器三維模型分別進(jìn)行水動力數(shù)值模擬分析,比較二者壓力分布和阻力系數(shù),可知扁形魚體相對于回轉(zhuǎn)體外形的壓力分布更加均勻,具有更小的阻力系數(shù)。研究結(jié)論為仿生型水下航行器外形優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。最后,通過對旗魚尾部運動進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析,并對簡化的尾部擺動模型進(jìn)行推進(jìn)力計算,獲得了尾鰭與尾柄在推進(jìn)過程中產(chǎn)生推力的原理。并通過尾部仿生機(jī)構(gòu)步態(tài)的控制,對尾部運動進(jìn)行魚體波仿生擬合,為高效仿生推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計提供了理論依據(jù)。本文對尾鰭的推進(jìn)機(jī)理進(jìn)行了初步探索,運用連桿機(jī)構(gòu)對魚體波進(jìn)行仿生擬合運動,并將魚體外形與傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)型水下航行器進(jìn)行外形水動力分析,從而為新型水下推進(jìn)設(shè)備的研制提供了技術(shù)方法與理論支持。但魚類的姿態(tài)控制和運動靈活性有自己的獨到之處,需要進(jìn)一步更深入的研究。
【關(guān)鍵詞】：計算流體力學(xué) 推進(jìn)機(jī)理 動網(wǎng)格 水動力特性 逆向工程
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP242;TB17
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1. 緒論12-23
• 1.1 課題研究背景及意義12-13
• 1.2 魚類推進(jìn)方式分類及比較13-15
• 1.3 魚類推進(jìn)機(jī)理研究15-17
• 1.4 仿生機(jī)器魚的技術(shù)發(fā)展概況17-21
• 1.5 本論文的主要內(nèi)容21-23
• 2. CFD數(shù)值模擬的基本原理23-29
• 2.1 引言23
• 2.2 基于CFD數(shù)值計算的基本方程23-24
• 2.3 湍流模型及其適用范圍24-25
• 2.4 CFD基礎(chǔ)25-28
• 2.4.1 CFD求解過程25
• 2.4.2 動網(wǎng)格技術(shù)25-28
• 2.4.3 UDF編譯28
• 2.5 本章小結(jié)28-29
• 3. 二維擺動水翼水動力性能與推進(jìn)機(jī)理研究29-49
• 3.1 引言29
• 3.2 魚體運動與魚體波函數(shù)29-31
• 3.3 尾鰭運動數(shù)學(xué)模型及其影響參數(shù)31-33
• 3.3.1 尾鰭運動數(shù)學(xué)模型31-32
• 3.3.2 影響尾鰭水動力性能的主要運動參數(shù)32-33
• 3.4 計算流場區(qū)域的設(shè)定33
• 3.5 尾鰭運動的水動力計算結(jié)果與分析33-43
• 3.5.1 尾鰭推進(jìn)機(jī)理分析33-36
• 3.5.2 尾流結(jié)構(gòu)參數(shù)對尾鰭擺動特性的影響36-38
• 3.5.3 相位差和攻角對尾鰭擺動特性的影響38-41
• 3.5.4 擺幅對尾鰭擺動特性的影響41-43
• 3.6 雙尾鰭在流體中推進(jìn)性能的研究43-47
• 3.6.1 數(shù)值計算模型建立43-44
• 3.6.2 動網(wǎng)格設(shè)置44-45
• 3.6.3 雙尾鰭運動尾渦疊加模式45-46
• 3.6.4 雙尾鰭運動尾渦耗散模式46-47
• 3.7 本章小結(jié)47-49
• 4. 仿生體減阻水動力分析49-59
• 4.1 物體阻力產(chǎn)生機(jī)理49-51
• 4.1.1 航行器阻力基本概念49-50
• 4.1.2 繞流阻力50-51
• 4.2 逆向工程獲取旗魚三維數(shù)據(jù)模型51-55
• 4.2.1 逆向工程介紹51
• 4.2.2 模型數(shù)據(jù)提取51-55
• 4.3 簡化模型55
• 4.4 魚體計算域及邊界條件設(shè)置55-58
• 4.4.1 魚體計算域的創(chuàng)建55
• 4.4.2 計算域的網(wǎng)格劃分55-56
• 4.4.3 魚體計算域的邊界條件56
• 4.4.4 回轉(zhuǎn)型小型水下航行器的計算域及邊界條件設(shè)置56-58
• 4.5 本章小結(jié)58-59
• 5. 尾部運動控制方法59-70
• 5.1 尾部運動分析59-62
• 5.1.1 尾部運動簡化模型59-60
• 5.1.2 尾部運動數(shù)學(xué)分析60-61
• 5.1.3 尾部運動模型建立61-62
• 5.2 尾部運動動力學(xué)模型的建立62-66
• 5.2.1 推進(jìn)力分析62-63
• 5.2.2 魚體所受阻力分析63-64
• 5.2.3 推進(jìn)力的計算64-66
• 5.3 魚體尾部擺動的仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計66-67
• 5.4 魚體尾部仿生機(jī)構(gòu)步態(tài)擬合67-69
• 5.5 本章小結(jié)69-70
• 6. 全文總結(jié)與展望70-72
• 6.1 全文總結(jié)70
• 6.2 展望70-72
• 參考文獻(xiàn)72-76
• 致謝76-77
• 個人簡歷77
• 發(fā)表的學(xué)術(shù)論文77

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