隨著對水下機器人的研究和使用的不斷擴大,對提高仿生機器魚的效率和性能的需求也在增加,以便其能適應(yīng)更長時間、更復(fù)雜的任務(wù)。眾所周知,仿生機器魚動態(tài)行為的精確仿真以及高性能運動姿態(tài)控制器的設(shè)計依賴于準(zhǔn)確的載體與推進系統(tǒng)的水動力學(xué)模型,因此建立準(zhǔn)確的水動力學(xué)模型,利用軟件對其游動模態(tài)進行仿真分析,研究機器魚的流體動力學(xué)顯得尤其重要。本論文以仿箱鲀科機器魚為研究對象,利用計算流體力學(xué)（CFD,Computational Fluid Dynamics）技術(shù),研究了不同運動條件對機器魚胸鰭和尾鰭協(xié)同推進的水動力學(xué)影響,主要工作和創(chuàng)新成果如下:（1）將整個機器魚放入流場,兩側(cè)胸鰭和尾鰭以正弦規(guī)律運動,建立仿生機器魚滑移動網(wǎng)格模型,使用CFD流體仿真分析軟件,對其直游時胸鰭推進模式、尾鰭推進模式、胸/尾鰭協(xié)同推進模式的水動力學(xué)特性進行對比,得出不同模式下機器魚水動力學(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)同推進產(chǎn)生最為復(fù)雜的渦量變化,胸鰭運動產(chǎn)生的渦會逐漸脫落向后移動,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)位級別】：碩士

【部分圖文】：

魚類推進模式分類[25]

基于CFD的胸/尾鰭協(xié)同推進仿生機器魚水動力學(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]隨著對魚類游動機理的研究的發(fā)展，后期的研究趨向于按照魚類游動方式的分類來開展。針對BCF模式推進的魚類水動力學(xué)研究，主要成果如下：1960年，Lighthill在魚類游動機理的分析中引入了“細長體理論”，該理論廣泛應(yīng)用在航空領(lǐng)域，他根據(jù)該理論，建立了一個只考慮慣性力對魚類游動影響的鲹科魚類推進模式的數(shù)學(xué)模型，通過將魚體設(shè)置為多個有限的小單元，分別研究每個單元的力學(xué)性能，最后通過沿魚體方向積分獲得運動的流體動力學(xué)參數(shù)[31]。Wu在1961年提出的“二維波動板理論”，將魚體假設(shè)為一個具有彈性無限長二維薄板，薄板的運動行波與魚體運動的行波等效，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機理時，提出了一個能夠應(yīng)用于該研究的“非定常二維波動板理論”，該理論能夠更進一步的分析魚類的游動機理[33]。1970年Lighthill正式提出了“細長體理論”，應(yīng)用該理論可計算尾鰭波動下的推進效率，能夠研究尾鰭動力學(xué)，并且通過分析推進效率與尾渦強度的關(guān)系，提出了一種通過增大尾鰭展弦比來增大運動速度和推進效率的方法。根據(jù)該理論，尾渦強度越大，魚體動能耗散越厲害，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：時間t內(nèi)和體積CV內(nèi)的變化+時間t內(nèi)流過控制體表面的對流量u=時間t內(nèi)通過控制體表面的擴散量+時間t內(nèi)控制體CV內(nèi)源項的變化。2.2.2計算流體力學(xué)分析過程CFD的數(shù)值計算通常由前處理模塊、CFD計算模塊、后處理模塊三部分組成，如圖2.1所示。圖2.1計算流體分析的一般過程示意圖2.3仿生機器魚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，只有尾鰭推動的魚體進行分析，如文獻[63]和文獻[42],而同時在流場中對魚體和胸鰭耦合作用的分析研究極少，也就是說，很少考慮機器魚外形因素等對流場的影響。針對這一問題，本章以實驗室所設(shè)計仿箱鲀科機器魚為研究對象，建立了由魚體、剛性胸鰭和尾鰭等三部分構(gòu)成的機器魚整體模型，分析兩者的耦合作用。其中，所建模型中單側(cè)胸鰭均具有兩個自由度，尾鰭具有一個自由度。

【參考文獻】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
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本文編號：3564199