基于沉浸邊界法的魚游運動水動力學(xué)機理研究.pdf

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

2、值模擬。著重考察了魚體周圍流動環(huán)境對魚游推進特性的影響,給出了復(fù)雜環(huán)境下魚游推進的水動力學(xué)特性。
　　 對于禍合升沉和俯仰組合運動的拍動翼,本文研究了俯仰振幅、拍動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)對其推進特性的影響規(guī)律。結(jié)果表明,在本文所研究的參數(shù)范圍內(nèi),存在一個最優(yōu)俯仰角(30°)使得拍動翼所受推進力最大;平均推進力隨著St數(shù)的增加而增大,而推進效率存在最大值,其對應(yīng)的St數(shù)介于0.25～0

3、.35之間。
　　 本文通過數(shù)值模擬重現(xiàn)了實驗中關(guān)于前后串列的振蕩D形圓柱(半圓柱)與拍動翼流場脫落渦相互作用的三種模態(tài),即:Expanding wake、Destructive interaction和Constructive interaction。水動力分析表明,拍動翼推進力的獲得同時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。對于前后串列的雙拍動翼,隨著拍動翼之間相位差的改變,尾流場的漩渦分布存在三種形

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

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

6、板的振動形態(tài)起著重要的作用,Re數(shù)較小時,彈性板的初始擾動被抑制,而當.Re數(shù)大于某臨界值時,彈性板開始振動,Re數(shù)越大,其振幅越大。不同參數(shù)下,彈性板周圍流場存在兩種模態(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,彈性板可以從流場中獲取更多的能量。
　　 本文研究了拍動翼展弦比對其推進特性的影響。結(jié)果表明,三維拍動翼的尾流場中,翼梢渦與前緣渦以及尾緣渦相互融合并脫落。拍動