鲹科模式鱼体自主前游的标度律研究

鲹科鱼类采用波状摆动可以实现非常高效的巡游游动,在受力动态平衡下以很高的速度向前游动,其性能远超传统的人造水下航行器,因此,探寻鱼体自主前游状态下流体力和前游速度的规律并建立相应的预测式具有重要的意义.在开源OpenFOAM平台和柔性体自主推进算法基础上,实现了波动鱼体自主游动的数值模拟,以NACA0012翼型为典型鱼体外形,对鲹科模式前向自主游动开展了系统的数值模拟.由已获得的栓结模型下推力标度律的启发,分别对自主巡游下的压差力系数和摩阻力系数进行标度研究.结果表明在雷诺数从500到50000的范围内,压差力系数和摩阻力系数分别具有形式一致的标度规律,由此可根据数值结果给出定量的预测公式,进而根据两作用力的匹配关系可以导出鱼体自主前游速度的标度律,获得了根据已知的鱼体波动参数来预估巡游速度的方法.此外,探讨了雷诺数为500和50000工况,不同摆尾幅度和频率组合下,鱼体厚弦比对于巡游的水动力标度律和前游速度的影响,并分析了不同鱼体外形对效能比的影响,发现雷诺数越高,获得最优效能比的鱼体越细长.

鲹科模式机器鱼自主游动的水动力特性研究

采用数值模拟方法对鲹科模式机器鱼的自主游动机理进行研究。通过求解三维机器鱼自静止状态起动,逐渐加速并最终收敛到稳态游动的动力学过程,探讨自主游动过程中运动学和力能学参数的时间历程规律,并通过改变机器鱼的运动学参数来研究其自主游动的水动力性能,揭示力学机理和流场结构。结果表明,机器鱼自主游动过程中,速度和力呈现明显的非定常变化,在鱼体开始摆动并逐渐加速的过程中,作用在鱼体上的力和力矩均不平衡,因此存在一定的平动和转动加速度,当流场趋于稳定时,鱼体所受的力和力矩达到平衡,并获得一定的前向稳态游动速度。进一步在稳态游动的基础上,研究摆动频率和尾部摆幅对机器鱼水动力参数的影响,提取的三维流场结构清晰地反映出二者对机器鱼稳态游动的影响机制。研究结果对于获得更为合理的三维机器鱼的稳态游动机理,开发新型原理样机具有重要意义。

基于虚功率原理的鲹科鱼类波状推进分析

自然界中的大多数鱼类通过波状摆动的方式实现推进,这是动态变形的鱼体和周围流体相互作用的结果,研究推进中流体对鱼体变形的响应不仅可以增强对波状推进的认识,还可以为流动控制提供依据.以鲹科模式推进的仿生二维模型为研究对象,通过数值计算获得鱼体波动产生的流场以及鱼体受到的流体力数据.基于虚功率原理,将鱼体受力分解为4部分,分别是鱼体边界变速运动的瞬时贡献、流场中流体旋转和应变速率相对大小的贡献、壁面剪切应力的类摩阻分量和壁面摩阻分量.结果表明,当鱼体波状摆动产生推力时,鱼体边界变速运动是主要的正推力来源,并且该项80%的推力贡献来源于20%的鱼尾部分的边界变速运动.鱼尾两侧边界层中的流体旋转和应变速率的相对大小和壁面摩阻对推力都是负贡献.对于低雷诺数的情况,流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献低于壁面摩阻的负贡献,而在高雷诺数的情况下,流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献强于壁面摩阻的负贡献.壁面类摩阻分量相对于其他3项总是较小的.结合标度律分析,在摆动推进的标度关系中,与雷诺数无关的推力部分是由边界的变速运动、流场中流体旋转和应变速率共同提供,且流体旋转和应变速率也贡献了摆动推力中与雷诺数有关的部分,而这一部分接近类摩阻和摩阻的一半,同时,类摩阻和摩阻还提供了常阻力分量.

鲹科和鲔科仿鱼机器人自主游动机理的分析与比较

采用计算流体力学方法对自主游动的仿鱼机器人进行数值模拟,给定相同的物理模型,将鱼体分别按照鲹科模式和鲔科模式运动学进行游动,提取两种模式的力能学和流场结构信息。通过比较二者的收敛速度、推进力和侧向力、功率消耗和推进效率、流场结构的差异,归纳出提高仿鱼机器人游动性能的影响因素。结果表明,鲹科模式中的'波动鱼尾'和鲔科模式中的'摆动鱼尾'在自主游动中起到了极为可观的作用;鲹科模式具有良好的综合游动性能,只有在合理的参数范围内,鲔科模式的游动性能才会较鲹科更为占优;对于鲔科模式而言,欲获得理想的收敛速度和推进效率,应优先选择合理的最大击水角度,再依据快速和高效的不同目标适当调整相位差。研究结果对于理解鲹科和鲔科仿鱼机器人的自主游动机理、开发新型仿鱼机器人具有重要意义。

鱼类自主游动水动力学特性的数值模拟

通过对推力和阻力进行重新定义,从根本上解决了鱼游研究中推力和阻力无法区分的难题.在此基础上,利用自适应网格下的ghost-cell浸没边界方法,模拟了鱼类以鲹科模式在黏性流体(309≤Re≤14581)和无黏流体(相当于雷诺数无穷大情形)中的二维自主游动.结果表明:(1)Strouhal数随雷诺数增大而减小,当雷诺数趋向于无穷时,Strouhal数趋向于0.25;(2)在所有雷诺数情况下,推力主要来源于压力分量;当Re<3000时,阻力的压力分量小于黏性力分量,而当Re>3000,二者的关系就会反过来;(3)推进效率随着雷诺数的增大而增大,当雷诺数趋向于无穷大时,推进效率最高可以达到70%,说明鲹科模式适用于较高雷诺数下的游动.

水中机器鱼的实现及应用

本文在2016年西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划项目背景下,制作一个自主研发的具有创新设计的水中机器鱼系统。设计目的:随着科学技术的发展对各种资源的开发力度逐年加强,保护海洋资源,为持续发展提供足够保障,仿真类机器人是在既不破坏自然环境和谐,又能够协助人类观察和监控自然的有效方式。本文讨论的水中机器鱼为水下探索提供一个平台,有效实现各类水下传感器的灵活安装拆卸,使其在一个稳定的系统上运行。鱼体采用鲹科模式,灵动性和高效性较好,主要包括K60芯片的控制核心、电源管理单元、舵机控制单元、传感器、串口通信模块等。

基于沉浸边界法的鱼体自主游动数值仿真

沉浸边界法是一种通过在流场中加入一个虚拟边界的方法实现壁面的无滑移效应的有限差分法,而虚拟边界是通过计算反馈力的方法得到。陈述了基于沉浸边界法的一种数值计算方法,并且利用这种数值方法对固定及简谐振动圆柱绕流进行了数值仿真,并将计算所得到的压力、涡量云图、流线以及阻力系数与文献进行对比,结果较为符合,验证了数值算法的可靠性;对于雷诺数Re=2500下摆动频率为2Hz的鱼体进行了自主游动数值仿真,得到稳定平均速度在1.35倍体长左右,推进效率η=76.4%。