【摘要】：魚類等水生生物擁有的快速、高效和機動靈活游動能力,正是水下航行器不斷追求的目標。近年來,仿生水下機器人成為了水下航行器領域的一個重要發(fā)展方向,研究認識仿魚類游動背后的運動和力學機理是其中的關鍵工作。當前關于仿魚類游動的研究,一般是基于非自主游動模型和簡化的運動變形方程,對機理的探究還不夠深入。本文以金槍魚游動模式為基礎,采用計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,研究了仿金槍魚水下機器人(簡稱機器魚)在多種運動方式下的自主游動機理。首先,研究了水翼正弦和非正弦擺動的推進性能。在確定擺角與斯特羅哈爾數(shù)、最大攻角的關系后,采用RANS(ReynoldaverageNavierStokes)求解器,單參數(shù)化地計算分析了高斯特羅哈爾數(shù)時水翼正弦擺動推進性能的下降趨勢、流場變化及最大攻角的影響;在此基礎上,數(shù)值模擬了調(diào)整平移運動方程的多種非正弦擺動。結果表明,非正弦擺動能大幅提升水翼高斯特羅哈爾數(shù)數(shù)時的推進性能,擺動的不同調(diào)整形式主要影響了水翼推力的改善效果。其次,通過RANS求解器和對CFD軟件進行二次開發(fā)編寫的流體-運動相互作用程序,耦合求解了流體運動方程和魚體運動方程,采用彈性光順、網(wǎng)格重構和網(wǎng)格整體運動技術相結合的方法處理魚體運動產(chǎn)生的大變形問題;在此基礎上建立了機器魚可以在縱向、橫向及艏向自主游動的數(shù)值計算模型。然后數(shù)值模擬了機器魚從靜止加速到巡游的過程,通過與直航試驗對比,驗證了自主游動模型的有效性;詳細分析了加速-巡游的水動力、流場結構、縱向運動的變化,及橫向、艏向運動穩(wěn)定性。研究表明,平移幅度、搖擺幅度、運動頻率對加速-巡游影響很大,合適的搖擺角度配合平移運動可以大幅提升機器魚的游動速度和推進效率。再次,在自主游動模型基礎上,結合擺動-滑行方式的運動變形方程,數(shù)值計算了機器魚雙側擺尾模式和單側擺尾模式的擺動-滑行過程。結果表明,擺動-滑行游動由于快速擺動變形,擺動階段的推進效率較低,但通過對滑行時慣性動能和尾流區(qū)漩渦能量吸收而提高了能量利用效率;滑行時間大于某臨界值時,比常規(guī)巡游更節(jié)省能量,單側擺尾模式擺動-滑行的能量利用效率高于雙側擺尾模式;擺動-滑行游動時的水動力不對稱變化使橫向、艏向運動也呈不對稱形式,但一個游動周期內(nèi)能保持穩(wěn)定。最后,結合起動和轉彎運動的變形方程,數(shù)值計算了機器魚C形起動和轉彎的自主機動過程,詳細探討了運動變形參數(shù)等對起動和轉彎的運動軌跡、轉艏角度、運動速度、水動力變化的影響。結果表明,后擺前期縱向力大幅脈動是起動運動加速的主要推力來源,而轉彎運動主要依靠前擺開始時快速變形提供主要的轉艏力矩;起動和轉彎變形完成后,橫向、艏向運動并未能達到穩(wěn)定狀態(tài),起動運動的不穩(wěn)定性更大;起動運動的運動軌跡一般呈勾形,而轉彎運動的運動軌跡與轉艏角度的關系很大,在約為180°時,轉彎的半徑最小;合適的運動變形參數(shù)下,轉彎運動可以在大幅轉艏的同時,保持游動速度不下降。
【圖文】：

根據(jù)運動的時間特征，魚類游動可簡單分為：周期性游動和瞬時游動［１５］。周期性動是利用重復性擺動變形來運動，推進運動具有周期性，可稱之為時均定常游動。魚主要采用這種方式進行勻速的遠距離巡游。瞬時游動是利用特定的身體變形一次或幾來驅動魚體運動，主要包括快速起動、轉彎。瞬時游動往往持續(xù)時間很短暫，，常用于食和逃逸等靈活的強機動性運動。逡逑對魚類游動模式的分類，最基礎的是從外形和推進所利用的身體部位來分。Ｂｒｅｄｅｒ最早將魚類游動簡單分為鰻灥模式（ａｎｇｕｉｌｌｉｆｏｒｍ）、

本文編號：2532199