基于沉浸邊界法的魚游運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、自然界中的魚類游動(dòng)有著高效、高速、快速機(jī)動(dòng)和低噪聲等特點(diǎn).對(duì)于魚游推進(jìn)機(jī)理的研究一直是流體力學(xué)中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。魚類所處的游動(dòng)環(huán)境一般較為復(fù)雜,在其周圍存在著各種漩渦。而魚類可以通過(guò)自身的側(cè)線系統(tǒng)來(lái)感知周圍流動(dòng)環(huán)境的變化,并改變自身的游動(dòng)形態(tài)從而借助周圍流體的作用達(dá)到減少能量消耗和提高推進(jìn)效率的目的。本論文以拍動(dòng)翼和波動(dòng)魚形體為基本模型,通過(guò)在上游放置D形圓柱等方式人為制造可控的渦流場(chǎng),采用改進(jìn)的沉浸邊界法對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的魚游流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)

2、值模擬。著重考察了魚體周圍流動(dòng)環(huán)境對(duì)魚游推進(jìn)特性的影響,給出了復(fù)雜環(huán)境下魚游推進(jìn)的水動(dòng)力學(xué)特性。
　　 對(duì)于禍合升沉和俯仰組合運(yùn)動(dòng)的拍動(dòng)翼,本文研究了俯仰振幅、拍動(dòng)頻率或基于升沉振幅的斯特勞哈爾數(shù)(St數(shù))以及升沉俯仰間相位差等參數(shù)對(duì)其推進(jìn)特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在本文所研究的參數(shù)范圍內(nèi),存在一個(gè)最優(yōu)俯仰角(30°)使得拍動(dòng)翼所受推進(jìn)力最大;平均推進(jìn)力隨著St數(shù)的增加而增大,而推進(jìn)效率存在最大值,其對(duì)應(yīng)的St數(shù)介于0.25～0

3、.35之間。
　　 本文通過(guò)數(shù)值模擬重現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中關(guān)于前后串列的振蕩D形圓柱(半圓柱)與拍動(dòng)翼流場(chǎng)脫落渦相互作用的三種模態(tài),即:Expanding wake、Destructive interaction和Constructive interaction。水動(dòng)力分析表明,拍動(dòng)翼推進(jìn)力的獲得同時(shí)取決于脫落渦與其前緣的相互作用情況及其尾跡中脫落渦的分布情況。對(duì)于前后串列的雙拍動(dòng)翼,隨著拍動(dòng)翼之間相位差的改變,尾流場(chǎng)的漩渦分布存在三種形

4、態(tài),即:前緣渦誘導(dǎo)模態(tài)、尾緣渦配對(duì)模態(tài)和渦耗散模態(tài)。下游拍動(dòng)翼推進(jìn)力與流場(chǎng)漩渦分布情況存在明顯聯(lián)系,在前緣渦誘導(dǎo)模態(tài)下,其推進(jìn)力最大;而渦耗散模態(tài)時(shí),其推進(jìn)力最小。
　　 針對(duì)前后串列的D形圓柱和波動(dòng)魚形體,本文系統(tǒng)地研究了D形圓柱與魚形體間距,魚形體波動(dòng)相位角、魚形體升沉運(yùn)動(dòng)相位角以及St數(shù)等參數(shù)對(duì)魚形體推進(jìn)特性的影響.根據(jù)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)以及魚形體的水動(dòng)力特性,D形圓柱的尾流場(chǎng)可劃分為三個(gè)區(qū)域,即:吸力區(qū)、推進(jìn)力增強(qiáng)區(qū)和弱影響區(qū)。魚

5、形體的波動(dòng)可以抑制D形圓柱尾流場(chǎng)中剪切層的卷起和漩渦脫落。在吸力區(qū)時(shí),小頻率的行波運(yùn)動(dòng)對(duì)于推進(jìn)力的獲取起著消極的作用,而位于渦街中時(shí),行波運(yùn)動(dòng)起著增強(qiáng)推進(jìn)力的作用。當(dāng)魚形體與來(lái)流脫落渦發(fā)生強(qiáng)烈作用時(shí),其所受推進(jìn)力明顯增大,而輸入功率也較大。當(dāng)魚形體在漩渦間穿行時(shí),其所受推進(jìn)力較小,所需輸入功率亦較小。
　　 本文引入線性Euler-Bernoulli梁模型,研究了渦流場(chǎng)中彈性板的受迫振動(dòng)行為。流動(dòng)雷諾數(shù)(Re數(shù))對(duì)于渦流場(chǎng)中彈性

6、板的振動(dòng)形態(tài)起著重要的作用,Re數(shù)較小時(shí),彈性板的初始擾動(dòng)被抑制,而當(dāng).Re數(shù)大于某臨界值時(shí),彈性板開始振動(dòng),Re數(shù)越大,其振幅越大。不同參數(shù)下,彈性板周圍流場(chǎng)存在兩種模態(tài),即:“附著渦模態(tài)”和“Kàrmàn渦街模態(tài)”。與“附著渦模態(tài)”相比,在“Kàrmàn渦街模態(tài)”下,彈性板可以從流場(chǎng)中獲取更多的能量。
　　 本文研究了拍動(dòng)翼展弦比對(duì)其推進(jìn)特性的影響。結(jié)果表明,三維拍動(dòng)翼的尾流場(chǎng)中,翼梢渦與前緣渦以及尾緣渦相互融合并脫落。拍動(dòng)