鳞鲀模式转弯机动的机理研究

该文针对中鳍波动驱动下的鳞鲀模式转弯机动,开展了鳞鲀模式转弯运动过程数值模拟仿真研究,揭示了鳞鲀模式转弯机动的水动力学机理,探讨了不同控制参数对转弯性能的影响规律。研究发现:中鳍的非对称运动脱出了两列非对称涡,同时在附加惯性效应的共同作用下,鳞鲀两侧产生了横向的压差力,在中鳍表面的压差力会形成转向力矩,促使鳞鲀转弯;而鳞鲀尾鳍的压差力则会阻碍转弯,因此适当收缩尾鳍可减小转弯半径,从而提高鳞鲀转弯能力。中鳍波动的参数对转弯有明显的影响,波动频率的增大会使鳞鲀稳定速率显著增大,但对转弯半径的影响相对较小;波动波长和偏角的增加,则会减小鳞鲀转弯半径,增强转弯性能,但对转弯速度的影响不大。

鳞鲀模式推进机理的数值研究

通过求解三维非定常不可压缩N-S方程对鳞鲀模式的游动进行了数值模拟,研究了鳞鲀模式游动的水动力学特性与流场特征,揭示鳞鲀模式游动的推进机理。结果表明,鳞鲀的背/臀鳍在一个波动周期内脱出两个非对称涡环,涡环中心诱导射流为鳞鲀提供推力;鳞鲀的推力分别依靠鳍面的波动和横侧摆动产生,背/臀鳍的安装角度使鳞鲀能更有效地利用这两部分的推力分量,且平衡沉浮力分量。鳞鲀所受推力随波动频率和幅度的增大而增大,随波长的增大先增大后减小,并且波长过大时,推进效率会急剧降低。相比于身体-尾鳍摆动(BCF)推进,鳞鲀模式具有极高的推进效率。与长鳍扭波推进模式相比,鳞鲀模式则具有更强的机动性。

鳞鲀倒游机动的机理研究

鳞鲀倒游机动的机理研究可为多方向机动性人造水下航行器设计提供新思路。该文通过数值研究,揭示了鳞鲀倒游机动的推进机理。研究发现,鳞鲀的倒游游动和前游游动相比,推力较小,效率较低,其主要原因是倒游的尾迹涡不像前游沿水平方向脱出,而是与水平面存在一定夹角;倒游还会脱出较强的鱼体涡,且在中鳍前缘尖部脱落小涡。鳞鲀在倒游时,只依靠背鳍或臀鳍波动,就可以轻松地实现下沉或上浮运动;鳞鲀倒游时,若将尾鳍适当收缩,或将扳机展开,均会增加推力,而效率几乎不变。