【摘要】：撲鰭式海洋生物像企鵝、海龜、海獅等使用胸鰭作為主要的推進(jìn)器官,其姿態(tài)的操縱與控制都是通過鰭的擺動(dòng)產(chǎn)生推力和升力實(shí)現(xiàn)的,具有很高的推進(jìn)效率。企鵝具有優(yōu)美的流線型輪廓,游動(dòng)速度快，水下捕魚機(jī)動(dòng)靈活,其優(yōu)異的撲鰭推進(jìn)與操縱性能非常值得研究人員開展深入研究。本文通過建立仿企鵝模型,運(yùn)用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了仿企鵝撲鰭推進(jìn)水動(dòng)力性能的相關(guān)研究。首先,論文結(jié)合美國(guó)DARPA潛艇模型SUBOFF的試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了基于STAR-CCM+軟件預(yù)報(bào)水下航行體水動(dòng)力性能的適用性和計(jì)算精度,在此基礎(chǔ)上通過建立仿企鵝模型,并進(jìn)行首部和尾部?jī)?yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)仿企鵝模型進(jìn)行阻力數(shù)值研究,分析三個(gè)模型的阻力和阻力系數(shù),確定了仿企鵝模型的外形設(shè)計(jì)。然后,為了驗(yàn)證STAR-CCM+軟件預(yù)報(bào)撲翼運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力性能的適用性和計(jì)算精度,采用Read在MIT所做的NACA0012剖面翼型撲翼實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥鳛檠芯繉?duì)象,通過STAR-CCM+軟件對(duì)二維翼型進(jìn)行基于升力模式的數(shù)值研究,探討了斯特羅哈爾數(shù)St對(duì)其水動(dòng)力性能的影響,并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的適用性;在此基礎(chǔ)上,對(duì)仿企鵝胸鰭模型進(jìn)行了基于升力模式的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)研究,探討了來流速度、頻率、俯仰振幅、拍動(dòng)振幅對(duì)其水動(dòng)力性能的影響。最后,論文對(duì)仿企鵝胸鰭模型進(jìn)行了阻力模式的撲鰭運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬研究,通過設(shè)計(jì)胸鰭運(yùn)動(dòng)模型,探討了來流速度、頻率、劃動(dòng)振幅對(duì)其水動(dòng)力性能的影響。通過對(duì)仿企鵝基于升力模式和阻力模式的撲鰭推進(jìn)數(shù)值研究,發(fā)現(xiàn)基于升力模式的撲鰭運(yùn)動(dòng)具有更高的推進(jìn)效率,最大為0.63。
【圖文】：

公元前１．５億年逡逑？鳥類，例如企鵝逡逑圖１．１撲鰭動(dòng)物的進(jìn)化和分類逡逑圖１．２企鵝、海龜、海獅以撲鰭推進(jìn)為主要推進(jìn)方式逡逑仿生學(xué)（ｂｕｓｉｅｓ）是一門交叉學(xué)科，將生命科學(xué)與機(jī)械、材料和信息等工程技術(shù)逡逑相結(jié)合，其目的是研宄和模擬生物體的結(jié)構(gòu)、功能、行為及其調(diào)控機(jī)制，為工程技術(shù)逡逑提供新的設(shè)計(jì)理念、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成［１１］。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家從上世紀(jì)９０年代逡逑就開始了仿生機(jī)器人的研究和應(yīng)用工作，雖然只有二十多年的研宄歷史，但發(fā)展迅速，逡逑已經(jīng)走到了世界前列，尤其是非常規(guī)環(huán)境下工作的仿生機(jī)器人已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用逡逑［１２］。隨著仿生技術(shù)的不斷發(fā)展，仿生魚類、海龜?shù)群Ｑ笊镄螒B(tài)甚至是運(yùn)動(dòng)方式的水逡逑下機(jī)器人將會(huì)不斷增加１１３］，，仿生水下機(jī)器人將會(huì)得到蓬勃發(fā)展。逡逑仿生推進(jìn)作為水下推進(jìn)技術(shù)的重要領(lǐng)域，它為研宄不同類型與性能的水下機(jī)器人逡逑提供了新的方向。撲鰭推進(jìn)方式的獨(dú)到之處在于各種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力皆源于胸鰭的上下拍逡逑動(dòng)、前后劃動(dòng)以及不斷改變胸鰭前緣的上翹和下沉姿態(tài)

前后的劃動(dòng)；當(dāng)然這些自然界的生物都是進(jìn)行復(fù)雜的多自由度撲鰭（翼）運(yùn)動(dòng)。撲鰭逡逑運(yùn)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)水生動(dòng)物在水中的六自由度運(yùn)動(dòng)［１６］，可以將其分為基于升力模式和阻力模逡逑式兩種運(yùn)動(dòng)方式。圖１．３為帝企鵝撲鰭游動(dòng)示意圖［１７］，帝企鵝胸鰭在擺動(dòng)過程中分別逡逑產(chǎn)生了方向正交的阻力和（負(fù)）升力，它們?cè)谒椒较虻暮狭κ沟眯伥挷粩喈a(chǎn)生前進(jìn)逡逑的動(dòng)力。因此，撲鰭推進(jìn)是升力模式推進(jìn)和阻力模式推進(jìn)的耦合推進(jìn)方式［１８］。逡逑、、邐一邐／（負(fù)）／丨力逡逑圖１．３帝企鵝撲鰭游動(dòng)示意圖逡逑１．２．１基于升力模式的撲鰭推進(jìn)逡逑通過仿生學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)原理將復(fù)雜的撲鰭運(yùn)動(dòng)方式簡(jiǎn)化為基于升力模式和基于阻力逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U661

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前4條

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1 劉富娟;仿生水翼推進(jìn)的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

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本文編號(hào)：2646500