仿生魚游動(dòng)與運(yùn)動(dòng)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(dá)71％的海洋不僅蘊(yùn)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(shí)際，也更為有效。目前的人造航潛器和水下機(jī)器人等以常規(guī)推進(jìn)方式驅(qū)動(dòng)的水下運(yùn)動(dòng)裝置存在起動(dòng)、加速和機(jī)動(dòng)性能差以及隱蔽性能差等缺點(diǎn)。而魚類在水中穿梭自如的運(yùn)動(dòng)，一方面巧妙地利用了流體力學(xué)原理，從而獲得了驚人的巡游性能和機(jī)動(dòng)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(lái)提高推進(jìn)效率。所以，魚類對(duì)進(jìn)行人造航潛器和水下機(jī)器人的研究具有廣泛的借鑒和指導(dǎo)意義。正是出于這樣的目的，本文通過(guò)運(yùn)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(dòng)的問(wèn)題，建立了金槍魚以及鯉魚自主游動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并研究了仿生魚游動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制的問(wèn)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(gè)方面：
　　首先，在已有的基礎(chǔ)上，成功發(fā)展了魚體網(wǎng)格生成程序，通過(guò)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(guò)對(duì)鯉魚以及金槍魚自主游動(dòng)進(jìn)行模擬，以及調(diào)整影響其運(yùn)動(dòng)的控制參數(shù)(頻率、擺幅、波長(zhǎng)、雷諾數(shù)等)，形成了鯉魚和金槍魚的數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)整理分析對(duì)比仿生魚前游速度以及受力，可以發(fā)現(xiàn)以下幾點(diǎn)特征：(1)擺幅對(duì)于速度的影響是明顯的，當(dāng)擺幅增加時(shí)，速度也按照相同的量級(jí)增加；對(duì)于受力的而言，當(dāng)擺幅增加時(shí)，其對(duì)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(jí)增長(zhǎng)。(2)頻率對(duì)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(duì)于受力的影響也是顯著的，并且這三個(gè)力都是同等程度增加的。(3)波長(zhǎng)對(duì)于速度的影響是多樣性的，波長(zhǎng)增大對(duì)于速度幾乎沒(méi)有影響，其影響主要體現(xiàn)在“延時(shí)(滯后)效應(yīng)”上，并且波長(zhǎng)對(duì)于速度的影響與其它參數(shù)是耦合在一起的；對(duì)于受力而言，波長(zhǎng)的影響也是多樣性的，與對(duì)速度的效果相反，對(duì)受力的影響主要體現(xiàn)在“提前效應(yīng)”上，并且波長(zhǎng)對(duì)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(duì)于速度的影響是積極的，雷諾數(shù)

5、增大，速度也相應(yīng)地增大，但是增加的幅度逐漸減小；對(duì)于受力的影響是各不相同的，雷諾數(shù)增大，其推力也相應(yīng)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(lái)實(shí)現(xiàn)仿生魚運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡的因素。通過(guò)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)可以調(diào)整擺動(dòng)頻率以及擺幅來(lái)改變其運(yùn)動(dòng)軌跡；也可以通過(guò)調(diào)整偏轉(zhuǎn)角來(lái)增大或者減小運(yùn)動(dòng)軌跡覆蓋范