【摘要】：魚(yú)類等水生生物擁有的快速、高效和機(jī)動(dòng)靈活游動(dòng)能力,正是水下航行器不斷追求的目標(biāo)。近年來(lái),仿生水下機(jī)器人成為了水下航行器領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向,研究認(rèn)識(shí)仿魚(yú)類游動(dòng)背后的運(yùn)動(dòng)和力學(xué)機(jī)理是其中的關(guān)鍵工作。當(dāng)前關(guān)于仿魚(yú)類游動(dòng)的研究,一般是基于非自主游動(dòng)模型和簡(jiǎn)化的運(yùn)動(dòng)變形方程,對(duì)機(jī)理的探究還不夠深入。本文以金槍魚(yú)游動(dòng)模式為基礎(chǔ),采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,研究了仿金槍魚(yú)水下機(jī)器人(簡(jiǎn)稱機(jī)器魚(yú))在多種運(yùn)動(dòng)方式下的自主游動(dòng)機(jī)理。首先,研究了水翼正弦和非正弦擺動(dòng)的推進(jìn)性能。在確定擺角與斯特羅哈爾數(shù)、最大攻角的關(guān)系后,采用RANS(ReynoldaverageNavierStokes)求解器,單參數(shù)化地計(jì)算分析了高斯特羅哈爾數(shù)時(shí)水翼正弦擺動(dòng)推進(jìn)性能的下降趨勢(shì)、流場(chǎng)變化及最大攻角的影響;在此基礎(chǔ)上,數(shù)值模擬了調(diào)整平移運(yùn)動(dòng)方程的多種非正弦擺動(dòng)。結(jié)果表明,非正弦擺動(dòng)能大幅提升水翼高斯特羅哈爾數(shù)數(shù)時(shí)的推進(jìn)性能,擺動(dòng)的不同調(diào)整形式主要影響了水翼推力的改善效果。其次,通過(guò)RANS求解器和對(duì)CFD軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)編寫(xiě)的流體-運(yùn)動(dòng)相互作用程序,耦合求解了流體運(yùn)動(dòng)方程和魚(yú)體運(yùn)動(dòng)方程,采用彈性光順、網(wǎng)格重構(gòu)和網(wǎng)格整體運(yùn)動(dòng)技術(shù)相結(jié)合的方法處理魚(yú)體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大變形問(wèn)題;在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)器魚(yú)可以在縱向、橫向及艏向自主游動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型。然后數(shù)值模擬了機(jī)器魚(yú)從靜止加速到巡游的過(guò)程,通過(guò)與直航試驗(yàn)對(duì)比,驗(yàn)證了自主游動(dòng)模型的有效性;詳細(xì)分析了加速-巡游的水動(dòng)力、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、縱向運(yùn)動(dòng)的變化,及橫向、艏向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。研究表明,平移幅度、搖擺幅度、運(yùn)動(dòng)頻率對(duì)加速-巡游影響很大,合適的搖擺角度配合平移運(yùn)動(dòng)可以大幅提升機(jī)器魚(yú)的游動(dòng)速度和推進(jìn)效率。再次,在自主游動(dòng)模型基礎(chǔ)上,結(jié)合擺動(dòng)-滑行方式的運(yùn)動(dòng)變形方程,數(shù)值計(jì)算了機(jī)器魚(yú)雙側(cè)擺尾模式和單側(cè)擺尾模式的擺動(dòng)-滑行過(guò)程。結(jié)果表明,擺動(dòng)-滑行游動(dòng)由于快速擺動(dòng)變形,擺動(dòng)階段的推進(jìn)效率較低,但通過(guò)對(duì)滑行時(shí)慣性動(dòng)能和尾流區(qū)漩渦能量吸收而提高了能量利用效率;滑行時(shí)間大于某臨界值時(shí),比常規(guī)巡游更節(jié)省能量,單側(cè)擺尾模式擺動(dòng)-滑行的能量利用效率高于雙側(cè)擺尾模式;擺動(dòng)-滑行游動(dòng)時(shí)的水動(dòng)力不對(duì)稱變化使橫向、艏向運(yùn)動(dòng)也呈不對(duì)稱形式,但一個(gè)游動(dòng)周期內(nèi)能保持穩(wěn)定。最后,結(jié)合起動(dòng)和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的變形方程,數(shù)值計(jì)算了機(jī)器魚(yú)C形起動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的自主機(jī)動(dòng)過(guò)程,詳細(xì)探討了運(yùn)動(dòng)變形參數(shù)等對(duì)起動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動(dòng)軌跡、轉(zhuǎn)艏角度、運(yùn)動(dòng)速度、水動(dòng)力變化的影響。結(jié)果表明,后擺前期縱向力大幅脈動(dòng)是起動(dòng)運(yùn)動(dòng)加速的主要推力來(lái)源,而轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)主要依靠前擺開(kāi)始時(shí)快速變形提供主要的轉(zhuǎn)艏力矩;起動(dòng)和轉(zhuǎn)彎變形完成后,橫向、艏向運(yùn)動(dòng)并未能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),起動(dòng)運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定性更大;起動(dòng)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡一般呈勾形,而轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡與轉(zhuǎn)艏角度的關(guān)系很大,在約為180°時(shí),轉(zhuǎn)彎的半徑最小;合適的運(yùn)動(dòng)變形參數(shù)下,轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)可以在大幅轉(zhuǎn)艏的同時(shí),保持游動(dòng)速度不下降。
【圖文】：

根據(jù)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間特征，魚(yú)類游動(dòng)可簡(jiǎn)單分為：周期性游動(dòng)和瞬時(shí)游動(dòng)［１５］。周期性動(dòng)是利用重復(fù)性擺動(dòng)變形來(lái)運(yùn)動(dòng)，推進(jìn)運(yùn)動(dòng)具有周期性，可稱之為時(shí)均定常游動(dòng)。魚(yú)主要采用這種方式進(jìn)行勻速的遠(yuǎn)距離巡游。瞬時(shí)游動(dòng)是利用特定的身體變形一次或幾來(lái)驅(qū)動(dòng)魚(yú)體運(yùn)動(dòng)，主要包括快速起動(dòng)、轉(zhuǎn)彎。瞬時(shí)游動(dòng)往往持續(xù)時(shí)間很短暫，，常用于食和逃逸等靈活的強(qiáng)機(jī)動(dòng)性運(yùn)動(dòng)。逡逑對(duì)魚(yú)類游動(dòng)模式的分類，最基礎(chǔ)的是從外形和推進(jìn)所利用的身體部位來(lái)分。Ｂｒｅｄｅｒ最早將魚(yú)類游動(dòng)簡(jiǎn)單分為鰻灥模式（ａｎｇｕｉｌｌｉｆｏｒｍ）、

本文編號(hào)：2532199