基于柔性體模型的鲹科魚游動的水動力學數(shù)值模擬研究.pdf

1、仿魚機器人相比于傳統(tǒng)水下航潛器具有高效、高速以及高機動性等優(yōu)點,因此近年來人們在仿魚機器人的研制以及魚類推進機理的研究上不遺余力。其中對于魚類推進機理的研究,隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和計算流體理論的不斷進步,越來越多地利用計算機進行數(shù)值仿真。數(shù)值仿真研究具有不受實驗條件影響、可重復性好以及可最大程度地模擬自然環(huán)境等優(yōu)點。目前常用的商業(yè)CFD軟件雖然具有應用面廣泛等優(yōu)點,但是在計算效率以及精度上還存在較大的提升空間,而且在流體計算理論上存

2、在一定的滯后性。因此本文以揭示仿生推進機理為目標,拋棄商業(yè)CFD軟件,利用所提出的數(shù)值求解方法對魚體高速高效自主游動機理進行水動力學數(shù)值模擬研究。
　　沉浸邊界法為一種采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的數(shù)值有限差分法,通過在虛擬邊界上施加反饋力以使邊界滿足無滑移條件,計算中不需要重構(gòu)網(wǎng)格,計算效率與精度較高。本文提出基于沉浸邊界法的數(shù)值計算方法,對流場中的速度場、壓力場以及邊界反饋力的求解方程進行詳細的推導與闡述。利用圓柱繞流以及簡諧振動圓柱模型的仿

3、真驗證了算法的正確性與程序的強壯性,為魚體游動的仿真奠定了基礎。
　　建立了魚體波動的運動學模型以及力學參數(shù)的計算模型,采用提出的數(shù)值算法對固定魚體擺動進行數(shù)值仿真研究,通過觀察流場壓力與渦量分布,探討了擺動魚體推進力的來源。調(diào)整擺動頻率、擺動幅值以及尾鰭最大擊水角等參數(shù),通過數(shù)值仿真探討推進力隨這些參數(shù)的變化規(guī)律。
　　為了使魚體最大化地接近真魚游動狀態(tài),采用提出的數(shù)值算法,對魚體進行了自主游動仿真。建立了自主游動動力學模