仿生魚游動與運動控制的數(shù)值分析技術(shù).pdf

1、隨著陸地資源的日益枯竭，人類不得不將目光轉(zhuǎn)向其它地方。而占地球總面積高達71％的海洋不僅蘊藏了巨大的能源與礦藏，而且相比于向其它星球要資源，向海洋要資源更為實際，也更為有效。目前的人造航潛器和水下機器人等以常規(guī)推進方式驅(qū)動的水下運動裝置存在起動、加速和機動性能差以及隱蔽性能差等缺點。而魚類在水中穿梭自如的運動，一方面巧妙地利用了流體力學原理，從而獲得了驚人的巡游性能和機動性能。另一方面，魚類還能利用一切可以利用的水流中的能量，如波浪、渦

2、流等，來提高推進效率。所以，魚類對進行人造航潛器和水下機器人的研究具有廣泛的借鑒和指導意義。正是出于這樣的目的，本文通過運用人工偽壓縮方法求解了三維不可壓縮非定常 N-S方程，探討了金槍魚和鯉魚自主游動的問題，建立了金槍魚以及鯉魚自主游動數(shù)據(jù)庫，并研究了仿生魚游動運動控制的問題。
　　本文的主要工作以及數(shù)值模擬的結(jié)論主要有以下幾個方面：
　　首先，在已有的基礎上，成功發(fā)展了魚體網(wǎng)格生成程序，通過此程序，在得到魚體外形的條件下

3、，可以生成任意流線型外形的魚體網(wǎng)格。
　　其次，通過對鯉魚以及金槍魚自主游動進行模擬，以及調(diào)整影響其運動的控制參數(shù)(頻率、擺幅、波長、雷諾數(shù)等)，形成了鯉魚和金槍魚的數(shù)據(jù)庫。通過整理分析對比仿生魚前游速度以及受力，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點特征：(1)擺幅對于速度的影響是明顯的，當擺幅增加時，速度也按照相同的量級增加；對于受力的而言，當擺幅增加時，其對推力的影響是有限的，而壓差阻力和摩擦力則也按照相同的量級增長。(2)頻率對于速度的影響是顯

4、著的，并且相較與擺幅而言，更為突出；頻率對于受力的影響也是顯著的，并且這三個力都是同等程度增加的。(3)波長對于速度的影響是多樣性的，波長增大對于速度幾乎沒有影響，其影響主要體現(xiàn)在“延時(滯后)效應”上，并且波長對于速度的影響與其它參數(shù)是耦合在一起的；對于受力而言，波長的影響也是多樣性的，與對速度的效果相反，對受力的影響主要體現(xiàn)在“提前效應”上，并且波長對于受力的影響也是與其它參數(shù)耦合在一起的。(4)雷諾數(shù)對于速度的影響是積極的，雷諾數(shù)

5、增大，速度也相應地增大，但是增加的幅度逐漸減?。粚τ谑芰Φ挠绊懯歉鞑幌嗤?，雷諾數(shù)增大，其推力也相應地增大，幅度逐漸減小，而壓差阻力和摩擦力則是逐漸減小的，并且減小幅度顯著，特別是摩擦力。
　　最后提出了結(jié)合嵌套網(wǎng)格引入偏轉(zhuǎn)角來實現(xiàn)仿生魚運動軌跡的控制，主要探討了很有代表性的O型以及S型軌跡的控制，并且揭示影響其運動軌跡的因素。通過計算，發(fā)現(xiàn)可以調(diào)整擺動頻率以及擺幅來改變其運動軌跡；也可以通過調(diào)整偏轉(zhuǎn)角來增大或者減小運動軌跡覆蓋范