仿生尾鰭推進(jìn)機(jī)理分析與減阻研究.pdf

1、隨著社會不斷發(fā)展，陸上資源日趨枯竭，人類將目光投向了廣袤的海洋。水下機(jī)器人作為海洋資源勘探開發(fā)的重要手段越來越受到海洋大國的重視，成為目前海洋技術(shù)研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)水下機(jī)器人一般采用螺旋槳推進(jìn)器，其推進(jìn)效率低、靈活性差、噪音大等缺點(diǎn)已成為制約水下機(jī)器人推廣應(yīng)用的瓶頸。研制開發(fā)高效、高機(jī)動(dòng)和高靈活性的新型水下推進(jìn)系統(tǒng)，是水下機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的必然選擇，也是目前水下機(jī)器人技術(shù)研究的熱點(diǎn)方向。魚類經(jīng)過億萬年的自然進(jìn)化，擁有了非凡的水下運(yùn)動(dòng)能力，不

2、但具有低能耗、高效率的推進(jìn)方式，而且具有很高的機(jī)動(dòng)性和靈活性。魚類的推進(jìn)方式為新型仿生機(jī)器人及仿生推進(jìn)技術(shù)提供了新思路，開展仿生尾鰭推進(jìn)機(jī)理研究對開發(fā)新型水下推進(jìn)系統(tǒng)具有重要的理論意義。本文以海洋中游速較快的旗魚為研究對象，通過分析旗魚尾鰭擺動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的流場結(jié)構(gòu)，初步探究旗魚尾鰭推進(jìn)的機(jī)理，并進(jìn)行了仿生機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)擬合。研究結(jié)論如下。
　　首先，通過逆向工程技術(shù)提取旗魚模型尾鰭的數(shù)據(jù)，利用Fluent動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)，對魚尾的沉浮俯仰耦合運(yùn)

3、動(dòng)的非定常流場進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，利用獲得的尾流區(qū)域流場特征圖，分析了隨體渦流和反卡門渦街產(chǎn)生的原理。在此基礎(chǔ)上，探討了沉浮-俯仰運(yùn)動(dòng)相位差、尾鰭擺幅、斯德魯哈爾數(shù)(Strouhal Number)等參數(shù)對魚類推進(jìn)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，尾鰭擺動(dòng)形成的對稱旋向的隨體渦流演化為向后的射流，從而推進(jìn)魚體高效前進(jìn);尾鰭運(yùn)動(dòng)參數(shù)在一定范圍內(nèi)的優(yōu)化配合可使魚體獲得較高的推進(jìn)力。
　　其次，將魚體三維模型和回轉(zhuǎn)體水下航行器三維模型分別進(jìn)行水動(dòng)力

4、數(shù)值模擬分析，比較二者壓力分布和阻力系數(shù)，可知扁形魚體相對于回轉(zhuǎn)體外形的壓力分布更加均勻，具有更小的阻力系數(shù)。研究結(jié)論為仿生型水下航行器外形優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
　　最后，通過對旗魚尾部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型分析，并對簡化的尾部擺動(dòng)模型進(jìn)行推進(jìn)力計(jì)算，獲得了尾鰭與尾柄在推進(jìn)過程中產(chǎn)生推力的原理。并通過尾部仿生機(jī)構(gòu)步態(tài)的控制，對尾部運(yùn)動(dòng)進(jìn)行魚體波仿生擬合，為高效仿生推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
　　本文對尾鰭的推進(jìn)機(jī)理進(jìn)行了初步