可变面积仿生尾鳍设计及推力分析

为提高尾鳍摆动推进仿生机器鱼游动时的推力,设计了一种可变面积仿生尾鳍。建立尾鳍三维运动学模型,利用有限体积法对模型及计算区域进行离散,使用非耦合隐式求解器求解非定常不可压缩N-S方程和连续性方程;采用在尾鳍表面设置漏空区域方法,研究了相同运动学参数下,尾鳍漏空区域的形状、位置和大小等参数对推力的影响,重点对比分析固定面积与变面积推力的变化。结果表明:适时改变尾鳍面积有利于提高尾鳍摆动推进力,在给定研究条件可提高20%至25%推进力;从尾鳍表面压力和周围区域流体迹线分布情况,结合尾鳍不同切面涡结构,揭示了试验结果的内在原理。该研究成果为优化尾鳍摆动推进的仿生机器鱼设计提供了参考。

尾鳍面积对摆动推进力大小的影响

目前,尾鳍面积对游动性能影响的研究大多采用鳍面整体缩放而鲜有通过设置漏空区域来改变面积的方法。笔者以新月形尾鳍为研究对象,建立尾鳍三维运动学模型。选择矩形和圆形2种漏空区域,在漏空区域面积不变的前提下,利用计算流体动力学原理,研究了漏空区域形状和分布对推力的影响。给出了尾鳍表面压力分布和无量纲阻力系数变化情况,结合尾鳍不同切面涡结构,揭示通过在尾鳍表面设置漏空区域调节推进力的规律。该研究成果为优化尾鳍摆动推进力提供了参考。