鱼类波状摆动推进的数值模拟

本文采用有限体积法并利用动网格技术,数值模拟了鱼类的波状摆动推进。首先分析了二维零厚度波状板的波状摆动推进,研究了在高雷诺数下匀速巡游的流场细节,发现了尾迹中涡的形态是呈之字形的涡环链。并同刚性平板的绕流结果比较,验证了波状摆动可以充分抑制湍流,减小表面所受的粘性阻力。其次使用NACA标准翼型模拟了有厚度的鱼体波状摆动,得到了尾部推力型的反卡门涡街。还分析了不同运动参数以及鱼体厚度对推力和阻力的影响。最后计算了边界条件对鱼类运动的影响。

摆动水翼绕流的数值研究

鱼类经常采用垂直流向的摆动进行游动,这种摆动可以用行进波来表示.应用浸入边界方法模拟了低雷诺数条件下水翼NACA65-010在水中摆动时的流场,并研究了雷诺数对水生动物推进效率的影响.结果表明:随着雷诺数的增大,推力系数和推进效率增大,而功率系数减小;在Re<20时,推力系数,推进效率和功率系数的变化尤为剧烈.随雷诺数增加,由于水翼摆动诱导的流场变化也更加复杂,水翼后缘处的涡量场强度逐渐增强.摆动诱导反卡门涡街产生推力.

基于沉浸边界法的二维拍动翼数值模拟

运用沉浸边界法对二维拍动翼流场进行了数值模拟,系统地分析了最大俯仰角、拍动频率和升沉俯仰运动的相位差等参数对拍动翼流场的影响。结果显示:当达到一定条件时,尾流出现反卡门涡街,使机翼得到正的推力而产生逆流前行的趋势。在本文的研究范围内发现,拍动翼的平均推力系数随最大俯仰角的增大先增大后减小,随着频率的增大而增大,同时,拍动翼的推进效率随最大俯仰角的增大而增大,随拍动频率的增大而减小,且当升沉俯仰运动的相位差在90°～100°之间时,存在着最大推进效率。本文所得结果为进一步研究鸟类飞行和鱼游等仿生力学提供了理论基础。

基于人工侧线的相邻仿生机器鱼感知研究

侧线系统是鱼类重要的感知器官,鱼类可以通过侧线器官实现对周围环境的感知,从而进行捕食、避敌以及一些群体行为。鱼类尾鳍摆动时会形成反卡门涡街,研究反卡门涡街对于仿生机器人的位姿和运动状态感知具有重要意义。以仿生机器鱼为平台、以侧线系统为依据,在机器鱼上实现人工侧线系统,当前方不同相对横向位置处机器鱼尾鳍摆动时,利用人工侧线实现对尾鳍摆动产生的反卡门涡街进行信息感知,从而间接识别机器鱼的相对横向位置,为群体机器鱼的相互感知提供了新思路。

俯仰振荡翼型推阻力转变滞后机制数值研究

扑翼产生的反卡门涡街被认为是一种推力型尾迹,但已有研究指出,随着斯特劳哈尔数(St)增大,低雷诺数下俯仰振荡翼型的净推力产生明显滞后于反卡门涡街的出现。为探究该现象背后的物理机制,对NACA0012翼型在雷诺数1000条件下作简谐俯仰运动的流场进行了数值模拟。采用翼型表面积分方法和基于有限控制体的气动力估计方法分别研究了翼面分布力特性和尾迹流场特性变化对阻力-推力转变临界点的影响。翼面分布力积分结果表明,当翼型振荡参数进入对应反卡门涡街尾迹形态区域时,翼面压力分布产生的推力分量无法克服剪切层的黏滞阻力,是造成俯仰翼型推力产生滞后于反卡门涡街出现的主要原因。对尾迹流场及相应的推阻力特性变化的分析表明,尽管反卡门涡街会产生“喷流效应”,但在St较小时,其产生的动量诱导推力无法克服反卡门涡自身的涡致阻力和尾迹流场压力损失引入的附加阻力,因此即使存在反卡门涡街也不能产生净推力,进而从流场分析的角度进一步解释了这一滞后现象的发生机制。

鱼类游动的N-S方程数值模拟

通过求解二维守恒型非定常流动N-S方程,对鱼类运动时鱼体周围二维非定常流场进行数值模拟,数值计算空间采用有限体积离散,时间推进格式采用Jameson的双时间法。描述了各状态鱼体模型、计算网格的生成方法和数值计算方法。结合计算结果对鱼类游动时反卡门涡街的形成和鱼体推力的产生机理进行了分析,并对不同斯特哈尔数对推力的影响进行了研究。结果表明:非定常N-S方程数值方法能够正确模拟鱼体运动时的流场和反卡门涡街的形成;产生明显推力的St数的范围是0.23～0.53,而且在0.35处推力达到最大。

宏压电纤维致动的水下推进器性能及机理

提出了一种宏压电纤维复合材料(macro fiber composite,简称MFC)致动的仿鲹科身体/尾鳍(body or caudal fin,简称BCF)水下推进器。利用搭建的实验平台测试了不同驱动电压条件下推进器的摆动性能,推进器在峰峰值为1000V,频率为17.7和3Hz的激励电压下分别取得空气中最大摆幅峰峰值为45mm,水下最大摆幅峰峰值13mm。借助计算流体力学(computational fluid dynamics,简称CFD)研究了仿生推进器在稳定摆动过程中流场特性和尾迹旋涡的分布情况,从推进器端部观察到的“反卡门涡街”结构揭示了仿生推进器的流体动力学机制和摆动式推进机理。推进器端部在x方向上的平均推进力可达1.5mN。研究成果对压电纤维致动器在仿生推进器的优化设计和提高其推进效率提供技术支持。