“尼罗河魔鬼”长背鳍波动包络线的提取算法

“尼罗河魔鬼”采用长背鳍波动推进方式,属于典型的奇鳍/对鳍推进鱼类。在已有的理论模型中,细长体理论(Elongated-body theory)较为适合于分析该类游动方式的推进性能。长背鳍的波动包络线方程是细长体理论的必要参数。拍摄实验样本(MPC-I)的自由游动视频,从中选取多组平稳运动图像序列,经旋转校正、零点配准、尺度归一、小波去噪等预处理后,提取了柔性长背鳍波动推进时的顶端边缘轮廓样本曲线簇,进而给出了波动包络曲线的多项式拟合方程。实验结果表明长背鳍波动包络线提取算法是有效的,根据算法所提取的长背鳍波动包络线方程为后续的推进力及推进效率的分析奠定了基础。

背鳍扭波推进运动的附加转动惯量

由于背鳍扭波推进运动方式不同于鳗鲡模式鱼体横波运动,细长体理论不能直接运用于尼罗河魔鬼鱼(GNF)的长背鳍扭波推进水动力性能的计算。为此,建立了计算鳍面与流体相互作用力的附加质量方法和附加转动惯量方法。对于背鳍扭波鳍条的摆动方式,首先提出计算附加质量的分离泡模型;其次,用偏心率e接近1的扁椭圆柱代替鳍条,运用势流理论计算了鳍条的附加转动惯量。两种方法给出的单位面积鳍面的附加质量函数形式相同。对于扭波推进运动的水动力性能,则用大摆幅理论结合数值积分方法来研究,结果表明:推力呈周期性变化,其变化频率为鳍条摆动频率的2倍;侧向力和升力周期平均值为0。

柔性长鳍扭波推进数学模型分析

以"尼罗河魔鬼"鱼的柔性长背鳍扭波推进模式为研究对象,通过观察活鱼的游动模式,提取影响扭波推进的运动学要素,建立了描述柔性长背鳍扭波推进时动态曲面的数学模型。研究了鳍条仰角与摆动规律对鳍面的影响。最后,用细长体理论分析并计算出推力分布。研究表明,鳍条仰角在φ=85°的情况下所形成的鳍面与垂直鳍条所形成的鳍面相比,其最大偏离值与鳍长之比为1.7%,可以用垂直于基线的鳍条制作模型;鳍条按正弦规律摆动时所形成的扭波波形鳍面与实鱼鳍面相似。

背鳍扭波推进的水动力性能测试与分析

为了研究柔性长鳍扭波推进机理,设计了一套模仿背鳍扭波运动的试验装置,并测试了背鳍扭波推进系统在循环水槽中的水动力。测试过程中,主要研究了背鳍推进系统在不同来流速中改变鳍条摆动频率时表现的推力特性。实验结果表明:相同频率扭动下的背鳍,在低速来流时产生的推力要大于高速来流时的推力;来流给定时,背鳍产生的推力与鳍条频率的平方成正比。