单关节机器鱼尾鳍推进系统的动力学分析

摘要

随着人类对海洋资源的进一步开发，仿生机器鱼等水下航行器的研究愈来愈备受关注，目前已成为仿生学领域内的一个热点问题。深入探究水下鱼类游动的流体力学机制既具有学术价值，也具有实际工程意义。本文从数值模拟的角度出发，分析探究了尾鳍推进式仿生机器鱼的推进机理和推进效率。
　　本文以单关节仿生机器鱼为原型，首先应用计算流体力学理论分析了单关节机器鱼的运动机制以及尾鳍的选型。然后应用三维造型技术，构建了单关节机器鱼的三维模型，并对模型的正确性、准确性进行了校验。其次通过FLUENT数值分析软件，对机器鱼尾鳍摆动的流场进行了数值仿真分析，结果表明：鱼体平均推力随振幅和频率的增大而增大。就本文研究的新月牙尾鳍而言，平均推力随摆动频率变化幅度要比随摆动幅值变化更大些。通过进一步分析尾鳍摆动周期内的涡街云图、压力云图，得到了鱼体推力产生的主要因素：一是摆动过程中流体作用在尾鳍表面的正压力在鱼前进方向上的分力，二是反卡门涡街形成的尾流场给鱼体向前的推进力。再次分析了新月牙尾鳍几何参数对鱼体推进力的影响，表明了鱼体推进力随着展弦比和后掠角的增大而增大，且展弦比为主要的几何参数。最后通过优化后的新月牙尾鳍和原始圆尾的分析比较，新月牙尾鳍的推进效率要高于圆尾，而且平稳性更佳。
　　本文采用数值模拟的方法分析了仿生机器鱼的运动机理和水动力特性，对未来仿生机器鱼的进一步设计研制提供了理论基础，为仿生机器鱼的优化设计提供了依据。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外现状分析

1.3 研究内容

第2章 计算流体力学及FLUENT理论计算基础

2.1 流体力学研究方法概述

2.2 CFD基本理论

2.3 控制方程和湍流模型

2.4 FLUENT软件及动网格技术介绍

2.5 本章小结

第3章 尾鳍及鱼体的三维模型建立

3.1 仿生机器鱼的机械结构及控制系统

3.2 尾鳍推进式机器鱼基本模型

3.3 尾鳍模型建立

3.4 三维鱼体建模及其初步仿真验证

3.5 本章小结

第4章 三维摆动尾鳍的推进性能及流场数值仿真研究

4.1 尾鳍数值模型的前处理

4.2 频率、摆幅对尾鳍推力的影响分析

4.3 尾鳍摆动的流场分析

4.4 本章小结

第5章 尾鳍的几何参数优化

5.1 展弦比对月牙形尾鳍机器鱼推进的影响

5.2 后掠角对月牙形尾鳍机器鱼推进的影响

5.3 优化后月牙尾和圆形尾鳍的推进性能比较

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢