仿生蓝点魟胸鳍在两种波动模式下推进力的比较

依靠鱼鳍波动推进的鱼类通常具备极强的游动稳定性和机动性能,在这些鱼类中,根据鱼鳍波状运动形成行波波幅包络线形式的不同,鱼鳍波动模式主要有摆幅从前往后逐渐增大和摆幅保持不变两种。设计出一种仿生蓝点魟胸鳍模型,通过试验研究模型在两种波动模式下频率、摆幅和波长等运动学参数对产生推进力大小的差异。测试结果显示,在两种波动模式下,推进力基本上随着波动频率、摆幅和波长的增大而增加;在相同运动学参数下,摆幅逐渐增大模式产生的推进力始终大于等摆幅模式;为进一步深入研究并揭示其中的缘由,随后建立仿生蓝点魟胸鳍的二维模型,利用有限体积法对建立的模型及计算域进行离散,基于流体动力学对两种波动模式下仿生鳍推进力进行计算,给出与试验条件相似的运动学参数下鱼鳍在两种波动模式下推进力大小随之变化情况的数值计算结果,绘制出压力分布等值线图和涡量场分布情况,并从涡动力学角度解释试验现象和揭示其原理及内在规律。该研究成果为仿生蓝点魟胸鳍选择合理的推进模式,高效、可靠地完成预定任务提供理论参考。

仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究

仿生鱼鳍的波动运动有两种基本模式:振幅从前往后保持不变和振幅从前往后逐渐变化。通过比较仿生鱼鳍两种波动模式的特点,可以给利用仿生鱼鳍驱动的水下推进器选择合理的波动方式提供依据。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立两种波动模式的二维数学模型。比较分析了在相同的雷诺数及运动学参数(频率、波速和平均振幅)下两种波动模式形成的压力分布和平均推进力。给出了阻力系数随时间的变化规律。根据尾迹涡量场分布形式和涡量强度解释了两种波动模式之间存在差异的原因。从仿真结果可以看出:在相同的运动学参数下,振幅从前往后保持不变的鱼鳍波动模式产生更大的推进力,具有更高的游动稳定性。

仿生波动鳍推进器设计及运动学仿真分析

以鳐鱼为仿生对象,基于两侧胸鳍的生物学研究成果,对鳐鱼的胸鳍进行形态和结构上的仿生设计。建立仿生鳍波动的二维数学模型。基于计算流体动力学(CFD:Computational Fluid Dynamics)技术,采用非耦合隐式求解非定常不可压缩N-S方程和连续性方程,利用三角形非结构网格对计算区域进行离散,比较分析了不同运动学参数下仿生鳍无量纲阻力系数随时间的变化规律。从仿真结果知:仿生鳍推进力随着波动频率的增加、波幅的增加以及波长的增长而近似线性增大,而游动稳定性则与之相反。该仿真结果为深入了解仿生波动鳍的推进机理提供更为详细的依据,也为仿生波动鳍的优化设计提供参考。

仿生机器鱼鳍波动推进速度的理论分析和实验测试

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的稳定性和机动性,该文选择了典型的依靠胸鳍波状运动产生推进力的蓝点魟为仿生对象,对胸鳍的结构进行简化,并基于这种简化模型设计了仿生波动鳍推进装置。详细介绍了该装置的机械结构和控制电路,通过理论计算和实验测试相结合的方法,全面分析了影响仿生机器鱼鳍推进器波动游动速度的各种因素,包括:波动频率及摆幅和波长等运动学参数、鳍面面积、流体介质密度及仿生鳍的重量等,揭示了各因素的影响规律。通过研究发现:仿生波动鳍推进速度基本上随着波动频率、摆幅和波长等运动学参数的增加而增大;随着鳍面面积或流体介质密度的增大,相同运动学参数下推进速度亦明显加快;此外,推进速度随着该仿生鳍的重量增加而略有降低。