基于晶吻鳐的波动推进数值模拟及其实验研究

摘要

自然界中的生物经历了千百万年的大自然的洗礼，最终进化为适应生存环境的生物，在这过程中取得了非凡的环境适应能力。因此，对自然界中的生物的研究和模仿，有助于提升人类的科学技术。近年来，仿生机械在我国的海洋开发和水下探测的需求越来越多，仿生机械逐渐成为机械学科的新研究热点。模仿不同游动方式的仿生机器鱼在国内外相继面世，将给水下推进技术带来新的变革。仿生机器鱼的研制，离不开对鱼游动机理的研究。为深入探索仿生原型的推进机理，国内外研究者采用理论分析和实验测试的方法进行了研究，但都没有获得与真鱼相媲美的游动推进效果。因此，本文从揭示晶吻鳐波动推进机理出发，对仿生晶吻鳐模型的直线前游和转弯等问题进行研究。
　　以研究仿生对象的推进机理为出发点，提出了一种用于求解仿生模型多自由度运动的数值方法。首先，建立计算域（流体域）的控制方程；其次，给定仿生模型的运动学方程，建立鱼体域的控制方程；第三，耦合计算流体域和鱼体域的控制方程，将鱼体的主动变形输入流场中，使鱼体的运动转移到周围流场域，由于力的作用是相互的，流体会对鱼体产生一个反作用力，从而驱动鱼体在流场中行进；最后采用三维形变翼型算例验证了数值方法的正确性，并将其应用到仿生晶吻鳐模型的直线前游和转弯性能的研究中。
　　利用提出的数值方法，对仿生晶吻鳐模型直线前游进行研究，求解鱼体从静止开始运动，逐渐加速直至收敛到稳态游动的过程。分别研究了鱼体胸鳍的波动频率、波数和幅值对鱼体的直线前游性能的影响，并据此判断不同运动学参数下仿生晶吻鳐模型的推进性能的优劣，同时采用响应曲面设计法具体分析各运动参数对直线前游性能的影响，并建立频率、波数和幅值与推进速度和推进效率之间的函数关系式。
　　晶吻鳐需要能应付多种突发状况，例如急转弯、追赶食物和躲避捕获等，这些都需要鱼体具有较高的机动性，因此，利用提出的数值方法，对仿生晶吻鳐模型的转弯进行研究。分别研究了鱼体胸鳍上的频率、波数和幅值对鱼体的转弯性能的影响。采用响应曲面设计法具体分析两种不同转弯方式下的运动参数对转弯性能的影响，并建立胸鳍上行波反向传播转弯时频率、波数和幅值与转弯角速度之间的函数关系式，胸鳍上行波同向传播时中心频率和中心幅值与转弯半径及转弯角速度之间的函数关系式。
　　研制了仿晶吻鳐机器鱼，利用模具成型方法，复制了真鱼胸鳍的外形轮廓，通过设计鱼体胸鳍上的运动次序，实现胸鳍上行波的传递。对机器鱼进行了直线前游和转弯实验，直线前游时，机器鱼游动的线性非常好；转弯推进时，机器鱼原地转弯的效果非常好，实验结果与数值仿真结果一致，从而验证胸鳍波动推进模式的有效性。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 仿生鱼的国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 晶吻鳐的运动仿真模型

2.1 引言

2.2 晶吻鳐的物理建模

2.3 晶吻鳐的运动学建模

2.4 晶吻鳐泳动时的动力学建模

2.5 非定常流场的控制方程

2.6 数值方法验证

2.7 本章小结

第3章 晶吻鳐直线前游的仿真研究

3.1 引言

3.2 晶吻鳐直线前游的运动学

3.3 运动学参数对晶吻鳐直线前游性能的影响研究

3.4 流场规律分析

3.5 响应曲面设计法分析运动参数对直线前游性能的综合影响

3.6 本章小结

第4章 晶吻鳐转弯的仿真研究

4.1 引言

4.2 晶吻鳐转弯的运动学

4.3 运动学参数对晶吻鳐转弯性能的影响研究

4.4流场规律分析

4.5 响应曲面设计法分析运动参数对转弯性能的综合影响

4.6 本章小结

第5章 仿晶吻鳐机器鱼的研制及运动实验研究

5.1 引言

5.2 仿晶吻鳐机器鱼的设计

5.3 仿晶吻鳐机器鱼的直线前游实验

5.4 仿晶吻鳐机器鱼的转弯实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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