仿生尾鰭的流固耦合機理與水動力性能研究

《仿生尾鰭的流固耦合機理與水動力性能研究》是依託中國海洋大學，由劉鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：仿生尾鰭的流固耦合機理與水動力性能研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：劉鵬
• 依託單位：中國海洋大學

中文摘要

自然界中魚類經過上億年的進化與自然選擇具有了高超的遊動能力，其擺動尾鰭的推進方式具有高效低噪聲等優點。模仿魚類研製的仿魚水下機器人也多採用擺動尾鰭推進，但目前國內外對尾鰭的推進機理研究相對較少，且多局限於拍動翼、剛性尾鰭或假定簡單變形的柔性尾鰭，因而已有樣機的遊動性能與自然界魚類相比差距較大。因此研究擺動尾鰭推進機理與性能，探討利用擺動尾鰭實現仿魚水下機器人高效快速遊動的方法具有重要的理論意義與套用價值。.本項目擬基於魚類形態學、解剖學及計算流體力學原理，結合活體魚擺動尾鰭的觀測實驗，建立尾鰭計算模型；基於CFD技術進行二次開發建立擺動尾鰭的流固耦合問題求解系統，研究剛性、給定變形規律柔性及水動力作用下被動變形柔性尾鰭的水動力性能及推進機理，並比較分析利用三維渦結構顯示技術獲得的尾鰭數值模擬渦系與現有的利用三維PIV技術觀測的活體魚尾渦系，為研發高性能仿魚水下機器人奠定理論基礎。

結題摘要

採用擺動尾鰭推進的魚類表現出了突出的遊動能力，對於未來水下航行器的設計具有很好的啟發意義。本課題以仿生推進系統為研究對象，藉助理論分析、數值模擬、模型試驗等手段，結合三維渦結構識別技術，詳細分析了仿生推進系統不同環境流場與運動方式下的的水動力性能與推進機理。首先針對現有CFD模擬軟體的不足，通過二次開發實現了從作用力性質與來源角度計算海洋結構物的環境載荷，為基於CFD軟體的流固耦合分析奠定基礎。之後從兩方面研究了仿生擺動翼處於不同環境流場中時的水動力性能：一是分析了自由液面波浪運動的影響，研究發現當擺動翼運動頻率等於波浪遭遇頻率時，推力及效率達到最大值；小波長或大波高波浪有利於水翼推力的產生，翼波浪能利用效率在大波長或小波高下更高。尾渦分析表明，恰當的波翼相位差可增加水翼尾渦梯度、減小渦分布範圍，從而增加翼推力及波浪能利用效率，而不當時則會使翼輸入功率被周圍波浪所吸收；二是以波浪驅動型水面無人艇（WUSV）為對象研究了串列布置擺動翼的性能，同時推導了其對環境波浪能利用效率的計算式。結果表明小波長或大波高環境中串列翼具有更高的輸入功率與推力，流場分析顯示大波長環境利於串列翼尾渦系更為充分的泄出、融合及脫落。另外決定WUSV波浪能利用效率的關鍵因素共有4個，包括推進器推力、航行速度、結構主尺度、波浪參數。WUSV航行於某一特定參數波浪環境中可獲得相對較高的波浪能利用效率；總體來看，當前設計方案下，WUSV波浪能利用效率較低。最後探討了斯特羅哈爾數與雷諾數對仿生擺動尾鰭性能的影響特點，分析發現尾鰭高St數下的擺動能夠使魚體瞬時獲得高推力，但推進效率一般，適合魚類的逃逸或捕獵等行為；而高Re數對應的湍流環境則更有利於尾鰭獲得相對較高的推力及效率；此外，尾鰭尾流場分析顯示渦環誘導的射流是尾鰭推力產生的主要原因，而Re與St則會分別影響單個渦環的尺度、耗散速度以及整個渦系的外形特徵。