基于CFD的仿生水动力学数值计算方法及其验证

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略,对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明:基于CFD方法,采用结构与非结构混合的网格划分策略,应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟,通过与实验结果进行对比,验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72 mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3 Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6 N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。

美洲鲥仔稚鱼脊柱及附肢骨骼系统的早期发育

使用软骨-硬骨双染色技术,描述了美洲鲥(Alosa sapidissima)仔稚鱼(1~51日龄)脊柱、胸鳍、尾鳍、背鳍等附肢骨骼的形态发育特征。结果显示,脊柱的发育开始于10日龄仔鱼尾部的髓弓、脉弓和尾下骨的出现,16日龄髓弓和脉弓延伸形成髓棘和脉棘,19日龄脊柱出现分节的硬骨环,23日龄所有椎体形成。各附鳍支鳍骨发育顺序先后依次为胸鳍、尾鳍、背鳍、臀鳍和腹鳍。胸鳍在2日龄时出现乌喙骨,13日龄形成软骨质的胸鳍支鳍骨,19日龄仔鱼肩带和上匙骨开始骨化;尾鳍的尾下骨最早出现在5日龄,12日龄尾鳍形成2枚尾上骨、1枚尾杆骨和6枚尾下骨,19日龄仔鱼尾椎和尾鳍率先开始骨化,直至23日龄尾鳍骨骼系统钙化完全。最终背鳍和臀鳍分别形成18和22根鳍条。美洲鲥骨骼发育研究对其早期发育功能趋向、环境优化及分类鉴定有重要作用。

大黄鱼仔稚鱼脊柱、胸鳍及尾鳍骨骼系统的发育观察

研究采用二重染色法对3—28日龄人工培育的大黄鱼Larimichthys crocea(Richardson)仔稚鱼的部分骨骼系统的发育进行观察。结果显示,仔鱼的脊索从6日龄(平均全长MTL3.9mm)开始分节,8—10日龄髓弓、脉弓先后开始发育,14日龄(MTL7.5mm)脊椎骨、髓棘、脉棘均已形成,至28日龄(MTL19.5mm)已发生骨化;大黄鱼仔鱼孵化时,胸鳍的上匙骨、匙骨、后匙骨、支鳍骨原基已形成,27日龄(MTL19.0mm)稚鱼具5块支鳍骨,鳍条发育完整;尾鳍发育以8日龄仔鱼脊索后端腹部2块尾下骨的形成开始,至14日龄仔鱼尾鳍已初具雏形,尾杆骨、尾上骨和尾下骨均发育完全,21日龄稚鱼尾下骨排列成弧状,第三与第四块尾下骨之间的缝隙增大,把尾鳍鳍条分为上下两部分,鳍条分节明显,28日龄稚鱼尾鳍尾杆骨及鳍条发生钙化。

机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究

设计了一种二自由度胸鳍/尾鳍协同推进的仿生机器鳕鱼,其胸鳍推进机构不仅能够单独实现前后拍翼运动、摇翼运动以及两者的复合运动,而且还可与尾鳍实现协同推进,进而分别建立了胸鳍单独推进、胸鳍/尾鳍协同推进时的水动力学模型。数值仿真及实验结果均表明,胸鳍复合运动与尾鳍协同推进时,仿生机器鱼游速最快,可达0.30 m/s,胸鳍摇翼运动推进时游速最低,仅为0.05 m/s,其他推进方式的游速介于二者之间,但均能够实现稳定的游动。与现有结果相比,所设计仿生机器鱼直线游动模态多样,稳定游速可选范围较宽,机动性较好。

仿胸鳍/尾鳍推进水下航行器方案设计与模型试验

针对小型水下航行器开展了系统方案设计,系统主要包括中央主体模块、胸鳍模块、尾部推进模块及控制模块。选用可编程序控制器(PLC)实施运动控制,完成了模型制作,编写了控制程序,并进行了初步的模型试验,探讨了仿生水下航行器运动的基本性能。

胸鳍/尾鳍协同推进的机器海豚动力学建模与仿真

动力学模型是机器海豚研究的一个重点和难点。基于胸鳍/尾鳍协同推进模式,采用"叶片单元法"建立2自由度胸鳍动力学模型,根据伯努利原理和大展弦比机翼平衡理论提出尾鳍动力学模型。通过MATLAB进行数值仿真,获取胸鳍、尾鳍的运动规律和不同模式下的游动速度;进一步分析机器海豚的游动模式和运动参数对直游性能的影响,为机器海豚的设计提供理论依据。该研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理,从而提高机器海豚的游动性能。

基于Matlab的机器海豚直游动力学仿真

针对仿生机器海豚胸鳍/尾鳍机构,根据细长体理论和新结构建立了机器海豚尾鳍/胸鳍的运动学模型,在摇翼与复合运动模式下,推导了动力学方程;通过MATLAB仿真软件对运动学和动力学进行仿真,推算出速度和推进力数值;分析了相关的运动学参数对仿生机器海豚游速产生的影响,为提高整体游速和推进力的结构方案改进提供技术指导。