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原文传递仿生鱼胸鳍和尾鳍联合推进数值模拟研究

论文题名：	仿生鱼胸鳍和尾鳍联合推进数值模拟研究
关键词：	仿生鱼;联合推进;自主游动;水动力性能;数值模拟
摘要：	鱼类经过自然界的淘汰和筛选，拥有了流线型的身体和能轻松控制自身姿态的鱼鳍，因此具有十分卓越的游动性能。相较于传统推进装置所采用的螺旋桨推进系统，鱼类所具有的体积小、效率高、机动性好等优点正是新型仿生推进装置需要突破的关键技术问题。传统的实验手段探究仿生鱼类的游动机制，存在复原难度大，捕捉精度低等困难。随着计算机技术的迅猛发展，数值仿真技术为研究仿鱼类推进机制提供了有力的工具，可精确的捕捉仿生鱼推进运动流场特征，为指导新一代水下推进装置研发具有重要的工程价值。　　本文通过数值仿真工具着重探究仿生鱼类游动机理，为优化选择联合推进方式提供理论支持。数值仿真方法具有成本低、可重复性好、准确度高等优点，文中借助于计算流体力学方法模拟了多种推进模式下仿生鱼在水平方向上的直航自主游动，重点关注了仿生鱼的水动力性能在不同运动模式和运动参数下的变化特性，为优化联合推进方式相关参数而获得更好的运动性能提供了一定的指导意义。　　首先，通过计算流体方法、动网格技术对仿生鱼相关部位的水动力性能进行了数值模拟，对鱼体的水动力性能、胸鳍摆动水动力、鱼体的自推进运动性能进行了分析。将所得结果与相关文献及实验结果进行了对比，并对网格收敛性和时间步收敛性进行了结果分析，发现本文所采用的数值计算模型能够对鱼体的水动力、胸鳍的水动力、鱼体自推进速度等参数进行有效求解，验证了本文采用数值计算方法的准确性和可靠性。　　其次，通过将BCF模式下鲹科鱼类置于计算域之中，改变波动频率、波数、振幅等运动学参数，探究不同运动学参数下身体尾鳍推进模式下的推进性能。重点探究和分析推进速度、推进效率、纵向力、侧向力、鱼体表面压力分布及尾涡结构等参数变化情况，分析不同频率、波数、振幅运动学等特征参数对仿生鱼游动推进性能的差异，揭示最佳仿生鱼游动推进特征形态。　　然后，研究MPF模式下隆头鱼科的鱼类胸鳍运动规律，构建胸鳍摆动数值模型，通过改变二自由度升力模型下的拍动角平均值、纵倾角平均值、三自由度下前后拍动相位差等运动学参数，对游动过程中的仿生鱼体游动速度、纵向力进行分析。重点聚焦于表面压力分布和流场涡结构变化情况，揭示升力模式下胸鳍的二自由度及三自由度运动推进模式下的推进性能，阐明不同参数下胸鳍推进性能变化机理。　　最后，研究分析身体尾鳍摆动与胸鳍摆动运动联合运动，建立胸鳍-尾鳍联合推进模式下的数值计算模型。通过构建仿生鱼在身体尾鳍和胸鳍的摆动的作用下持续向前推进运动形式，分析不同身体尾鳍的摆动频率和不同胸鳍运动模型下胸鳍-尾鳍联合推进游动速度、游动效率、纵向力变化，同时重点观察鱼体表面压力分布与尾涡结构，进一步揭示了推进力的来源及推进性能的差异性，提出的数值模拟结果及相关结论为联合推进模式的仿生机器鱼研制与发展提供一定的技术支持。
作者：	袁琪
专业：	机械
导师：	雷林;石伏龙
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023