隨著對(duì)水下機(jī)器人的研究和使用的不斷擴(kuò)大,對(duì)提高仿生機(jī)器魚的效率和性能的需求也在增加,以便其能適應(yīng)更長時(shí)間、更復(fù)雜的任務(wù)。眾所周知,仿生機(jī)器魚動(dòng)態(tài)行為的精確仿真以及高性能運(yùn)動(dòng)姿態(tài)控制器的設(shè)計(jì)依賴于準(zhǔn)確的載體與推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力學(xué)模型,因此建立準(zhǔn)確的水動(dòng)力學(xué)模型,利用軟件對(duì)其游動(dòng)模態(tài)進(jìn)行仿真分析,研究機(jī)器魚的流體動(dòng)力學(xué)顯得尤其重要。本論文以仿箱鲀科機(jī)器魚為研究對(duì)象,利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD,Computational Fluid Dynamics）技術(shù),研究了不同運(yùn)動(dòng)條件對(duì)機(jī)器魚胸鰭和尾鰭協(xié)同推進(jìn)的水動(dòng)力學(xué)影響,主要工作和創(chuàng)新成果如下:（1）將整個(gè)機(jī)器魚放入流場,兩側(cè)胸鰭和尾鰭以正弦規(guī)律運(yùn)動(dòng),建立仿生機(jī)器魚滑移動(dòng)網(wǎng)格模型,使用CFD流體仿真分析軟件,對(duì)其直游時(shí)胸鰭推進(jìn)模式、尾鰭推進(jìn)模式、胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)模式的水動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行對(duì)比,得出不同模式下機(jī)器魚水動(dòng)力學(xué)的變化規(guī)律。從壓力變化云圖中,胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)生的壓力變化最為復(fù)雜;從速度渦量變化圖中,胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)產(chǎn)生最為復(fù)雜的渦量變化,胸鰭運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的渦會(huì)逐漸脫落向后移動(dòng),和尾鰭產(chǎn)生的渦互相作用,增加尾鰭的推力,從而證明胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)模式是一... 

【文章來源】：蘭州交通大學(xué)甘肅省

【文章頁數(shù)】：75 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

魚類推進(jìn)模式分類[25]

基于CFD的胸/尾鰭協(xié)同推進(jìn)仿生機(jī)器魚水動(dòng)力學(xué)特性分析-4-(ii)反向循環(huán)減弱渦(iii)反向卡門渦街圖1.2三種基本的相互作用模式[29]隨著對(duì)魚類游動(dòng)機(jī)理的研究的發(fā)展，后期的研究趨向于按照魚類游動(dòng)方式的分類來開展。針對(duì)BCF模式推進(jìn)的魚類水動(dòng)力學(xué)研究，主要成果如下：1960年，Lighthill在魚類游動(dòng)機(jī)理的分析中引入了“細(xì)長體理論”，該理論廣泛應(yīng)用在航空領(lǐng)域，他根據(jù)該理論，建立了一個(gè)只考慮慣性力對(duì)魚類游動(dòng)影響的鲹科魚類推進(jìn)模式的數(shù)學(xué)模型，通過將魚體設(shè)置為多個(gè)有限的小單元，分別研究每個(gè)單元的力學(xué)性能，最后通過沿魚體方向積分獲得運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)參數(shù)[31]。Wu在1961年提出的“二維波動(dòng)板理論”，將魚體假設(shè)為一個(gè)具有彈性無限長二維薄板，薄板的運(yùn)動(dòng)行波與魚體運(yùn)動(dòng)的行波等效，該研究過程中考慮了慣性力和尾渦的影響[32]。1971年，吳耀祖在系統(tǒng)研究扁平月牙型尾鰭魚類的游動(dòng)機(jī)理時(shí)，提出了一個(gè)能夠應(yīng)用于該研究的“非定常二維波動(dòng)板理論”，該理論能夠更進(jìn)一步的分析魚類的游動(dòng)機(jī)理[33]。1970年Lighthill正式提出了“細(xì)長體理論”，應(yīng)用該理論可計(jì)算尾鰭波動(dòng)下的推進(jìn)效率，能夠研究尾鰭動(dòng)力學(xué)，并且通過分析推進(jìn)效率與尾渦強(qiáng)度的關(guān)系，提出了一種通過增大尾鰭展弦比來增大運(yùn)動(dòng)速度和推進(jìn)效率的方法。根據(jù)該理論，尾渦強(qiáng)度越大，魚體動(dòng)能耗散越厲害，而在自然界中，新月型尾鰭的尾渦從鰭表面的后邊緣脫落，因此減少了魚體的耗散量，從而提升了魚體的游動(dòng)速度，這一

蘭州交通大學(xué)碩士學(xué)位論文-9-式中：散度積分根據(jù)格林公式化為面積積分，控制體的表面積為A。該方程的物理意義為：時(shí)間t內(nèi)和體積CV內(nèi)的變化+時(shí)間t內(nèi)流過控制體表面的對(duì)流量u=時(shí)間t內(nèi)通過控制體表面的擴(kuò)散量+時(shí)間t內(nèi)控制體CV內(nèi)源項(xiàng)的變化。2.2.2計(jì)算流體力學(xué)分析過程CFD的數(shù)值計(jì)算通常由前處理模塊、CFD計(jì)算模塊、后處理模塊三部分組成，如圖2.1所示。圖2.1計(jì)算流體分析的一般過程示意圖2.3仿生機(jī)器魚CFD建模調(diào)研結(jié)果表明，現(xiàn)有的結(jié)果都只是利用CFD軟件,在流場中放入單一剛性胸鰭片或者沒有胸鰭，只有尾鰭推動(dòng)的魚體進(jìn)行分析，如文獻(xiàn)[63]和文獻(xiàn)[42],而同時(shí)在流場中對(duì)魚體和胸鰭耦合作用的分析研究極少，也就是說，很少考慮機(jī)器魚外形因素等對(duì)流場的影響。針對(duì)這一問題，本章以實(shí)驗(yàn)室所設(shè)計(jì)仿箱鲀科機(jī)器魚為研究對(duì)象，建立了由魚體、剛性胸鰭和尾鰭等三部分構(gòu)成的機(jī)器魚整體模型，分析兩者的耦合作用。其中，所建模型中單側(cè)胸鰭均具有兩個(gè)自由度，尾鰭具有一個(gè)自由度。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3564199