仿金枪鱼水下机器人自主游动研究

摘要

鱼类等水生生物拥有的快速、高效和机动灵活游动能力，正是水下航行器不断追求的目标。近年来，仿生水下机器人成为了水下航行器领域的一个重要发展方向，研究认识仿鱼类游动背后的运动和力学机理是其中的关键工作。当前关于仿鱼类游动的研究，一般是基于非自主游动模型和简化的运动变形方程，对机理的探究还不够深入。本文以金枪鱼游动模式为基础，采用计算流体力学(CFD)方法，研究了仿金枪鱼水下机器人(简称机器鱼)在多种运动方式下的自主游动机理。
　　首先，研究了水翼正弦和非正弦摆动的推进性能。在确定摆角与斯特罗哈尔数、最大攻角的关系后，采用RANS( Reynold average Navier Stokes)求解器，单参数化地计算分析了高斯特罗哈尔数时水翼正弦摆动推进性能的下降趋势、流场变化及最大攻角的影响；在此基础上，数值模拟了调整平移运动方程的多种非正弦摆动。结果表明，非正弦摆动能大幅提升水翼高斯特罗哈尔数数时的推进性能，摆动的不同调整形式主要影响了水翼推力的改善效果。
　　其次，通过RANS求解器和对CFD软件进行二次开发编写的流体-运动相互作用程序，耦合求解了流体运动方程和鱼体运动方程，采用弹性光顺、网格重构和网格整体运动技术相结合的方法处理鱼体运动产生的大变形问题；在此基础上建立了机器鱼可以在纵向、横向及艏向自主游动的数值计算模型。然后数值模拟了机器鱼从静止加速到巡游的过程，通过与直航试验对比，验证了自主游动模型的有效性；详细分析了加速-巡游的水动力、流场结构、纵向运动的变化，及横向、艏向运动稳定性。研究表明，平移幅度、摇摆幅度、运动频率对加速-巡游影响很大，合适的摇摆角度配合平移运动可以大幅提升机器鱼的游动速度和推进效率。
　　再次，在自主游动模型基础上，结合摆动-滑行方式的运动变形方程，数值计算了机器鱼双侧摆尾模式和单侧摆尾模式的摆动-滑行过程。结果表明，摆动-滑行游动由于快速摆动变形，摆动阶段的推进效率较低，但通过对滑行时惯性动能和尾流区漩涡能量吸收而提高了能量利用效率；滑行时间大于某临界值时，比常规巡游更节省能量，单侧摆尾模式摆动-滑行的能量利用效率高于双侧摆尾模式；摆动-滑行游动时的水动力不对称变化使横向、艏向运动也呈不对称形式，但一个游动周期内能保持稳定。
　　最后，结合起动和转弯运动的变形方程，数值计算了机器鱼C形起动和转弯的自主机动过程，详细探讨了运动变形参数等对起动和转弯的运动轨迹、转艏角度、运动速度、水动力变化的影响。结果表明，后摆前期纵向力大幅脉动是起动运动加速的主要推力来源，而转弯运动主要依靠前摆开始时快速变形提供主要的转艏力矩；起动和转弯变形完成后，横向、艏向运动并未能达到稳定状态，起动运动的不稳定性更大；起动运动的运动轨迹一般呈勾形，而转弯运动的运动轨迹与转艏角度的关系很大，在约为180o时，转弯的半径最小；合适的运动变形参数下，转弯运动可以在大幅转艏的同时，保持游动速度不下降。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 仿鱼类游动的基本概念

1.3 仿鱼类游动机理研究现状

1.4 仿鱼类水下机器人发展

1.5 论文的研究思路和主要工作

第2章 水翼摆动的推进性能分析

2.1 引言

2.2水翼模型及摆动方程

2.3 数值计算方法

2.4 水翼正弦摆动

2.5 水翼非正弦摆动

2.6 本章小结

第3章 机器鱼加速-巡游自主游动研究

3.1 引言

3.2 计算模型

3.3 机器鱼自主游动的数值计算方法

3.4 机器鱼加速-巡游过程数值分析

3.5 机器鱼加速-巡游的主要影响参数

3.6 本章小结

第4章 机器鱼摆动-滑行游动研究

4.1 引言

4.2 数值计算模型

4.3 双侧摆尾模式的摆动-滑行游动

4.4 单侧摆尾模式的摆动-滑行游动

4.5 滑行比对摆动-滑行游动的影响

4.6 本章小结

第5章 机器鱼C形起动运动和转弯运动研究

5.1 引言

5.2 机器鱼的C形起动和转弯

5.3 机器鱼C形起动的游动机理分析

5.4 影响起动运动的主要因素

5.5 机器鱼C形转弯的游动机理分析

5.6 影响转弯运动的主要因素

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢