仿胸鳍推进系统水动力性能理论与实验研究

摘要

微小型仿生水下机器人具有航行噪声小,阻力低,隐身性能好,欺骗性强,突击能力强,成本低,可批量生产等特点,在海军装备建设和海洋开发领域有极为广阔的应用前景。仿生水下机器人以摆动尾鳍推进,只有配合胸鳍才能实现灵活的操纵和自身姿态的随意控制。大自然中许多鱼类利用运动复杂的胸鳍进行操纵,可很好地实现悬浮、前进和倒退。国内外对仿生水下机器人的研究工作多集中于尾鳍方面,而对于胸鳍的推进机理和性能的研究还很少,因此研究鱼类胸鳍的推进机理和性能,探讨利用胸鳍实现仿生水下机器人灵活操纵的方法具有重要的理论意义和实际应用价值。本文采用计算流体力学的方法,研究仿胸鳍推进系统的水动力性能与推进机理。本文的主要工作包括以下几部分内容。
　　 1.以鱼类胸鳍为研究模型,建立仿胸鳍推进系统的二自由度模型,并在此基础上提出其柔性变形模式,运用基于并行算法的CFD方法探讨了其水动力性能。文中首先从刚体运动基本规律出发,提出了计算胸鳍推进效率的合理公式,并将其扩展到后续研究工作中。其次分析了二自由度运动模式下各控制参数对仿胸鳍推进系统的影响,得到了优化的刚性胸鳍二自由度运动模式下的运动参数。最后针对其运动特点以及特殊外形,采用对三维空间流场分别做切片的方法,并在各切片上做出尾涡涡量的等值线图,通过各切片上尾涡涡量一个周期内随胸鳍运动的演变过程,进而探究刚性、柔性胸鳍的推进机理。在并行计算柔性胸鳍水动力性能时,采取特殊的分区方法消除表面网格点的错误运动。
　　 2.首先建立仿胸鳍推进系统的三自由度运动模型。接着探讨了胸鳍三自由度运动模式下,上下拍翼运动各控制参数对其水动力性能的影响。采用对三维空问流场做切片的方法,分析刚、柔性胸鳍三自由度模式下的推进机理:同时结合胸鳍表面压力分布情况,分析该运动模式下水动力性能曲线与尾涡脱落之间关系。通过对耦合运动的分解,得到了不同运动方式对仿胸鳍推进系统水动力性能的贡献。
　　 3.研究基于升力(lift-based)运动模式的刚性拍动翼的水动力性能及推进机理。首先以类企鹅拍动翼为研究对象,运用面元法和CFD方法计算了三维刚性拍动翼的水动力性能。其次详细探讨了拍动翼的各个运动控制参数对其水动力性能的影响。最后将对三维空间流场做切片的方法应用于该模式,探究拍动翼的尾涡系的演变过程。
　　 4.研发了一个具有二自由度运动模式的仿胸鳍推进系统的实验装置;其次完成了实验装置的测试并进行了大量实验研究工作;最后将数值计算的结果与实验结果进行对比。通过与数值模拟方法相结合,完善了研究胸鳍二自由度运动模式水动力性能的手段,为今后仿鱼类胸鳍推进系统的开发和应用提供参考。
　　 本论文的研究表明,采用计算流体力学的方法对仿胸鳍推进系统不同运动模型下的推进机理研究与水动力性能分析,是切实可行的。本文的研究为仿胸鳍推进系统的设计提供了理论依据,为研发高机动仿生水下机器人提供技术支持。