《鮪科魚類出水運動模擬及其換能機制研究》是依託東南大學，由夏丹擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鮪科魚類出水運動模擬及其換能機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：夏丹
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
針對目前魚類的出水運動機理尚未明晰且現有仿生機器魚仍局限於水下三維遊動的事實，開展鮪科魚類出水運動機理及其換能機制研究，以期達到拓展機器魚的運動空間的目的。首先，建立魚體出水運動的時序運動學模型，在充分考慮魚體出水運動過程中的水下遊動和空氣中滑翔所涉及的水動力學和空氣動力學問題的基礎上，分別建立水動力和空氣動力的計算模型，提出魚體在氣-液兩相介質中遊動的動力學耦合算法，進而模擬魚體出水運動的動力學過程，揭示其出水運動機理；其次，通過建立合理的能量評價函式，研究魚體以不同運動姿態遊動時的能量變化情況，揭示其出水運動過程中的能量轉換機制。再次，根據出水運動機理及其換能機制，設計合理的仿生機構，搭建實驗平台，驗證理論和數值模擬研究結果的正確性，進一步提高機器魚水上運動空間的可達性。本項目的研究成果將為今後開發可實現出水運動的水下運載器和近水面武器系統提供堅實的理論依據和關鍵技術。
結題摘要
針對目前魚類出水運動機理尚不明晰且現有機器魚仍局限於水下三維遊動的事實，開展鮪科魚類出水運動模擬及其換能機制研究，建立魚體出水運動的動力學模型，依據提出的出水運動數值求解方法，模擬魚體出水運動的動力學過程；通過建立合理的能量評價函式，揭示出水運動過程的能量轉換機制。為拓展機器魚的水上運動空間，開發可實現出水運動的水下運載器提供理論依據。本項目的主要研究內容如下： (1) 建立了以鮪魚為代表的鮪科魚類出水運動的運動學和動力學模型，將鮪魚出水過程分為水下加速遊動段、出水瞬間段、空中滑翔並調整姿態段、入水瞬間段和再次水下加速遊動段五個階段，分別建立了鮪魚域的動力學方程和流體域的控制方程。 (2) 提出了一種魚體出水運動的數值求解方法，通過求解流體域的控制方程得到流體的作用力和作用力矩，將其作為外力求解鮪魚的動力學方程，得到其出水運動性能，實現鮪魚與流體的相互作用過程。通過模擬圓柱受浮力驅動出水的算例，驗證了方法的有效性。 (3) 對鮪魚以不同攻角出水運動進行了數值模擬，求解魚體和流體相互作用的動力學方程，獲得了鮪魚出水過程中速度和作用力的時間歷程規律，研究了出水運動參數對鮪魚出水運動性能的影響規律。 (4) 構建了鮪魚出水運動中的能量評價函式，包括出水過程中鮪魚從流體中獲得的動能和勢能函式，鮪魚水下遊動克服流體作用消耗的能量函式以及出水和入水瞬間消耗的能量。進一步研究了鮪魚出水運動參數對能量的影響規律，揭示了出水過程中的轉能機制。 (5) 提出了魚體遊動與流體相互作用的分塊耦合方法，將鮪魚出水運動的計算區域劃分為魚體域、流體域和交界面域，分別建立各個子域的控制方程，採用分塊耦合法實現了魚體和流體的互動過程，並通過鮪科魚類水下遊動的實例驗證了方法的有效性。 (6) 揭示了魚體遊動與流體相互作用的機理，分別研究了頭部擺動運動、身體波動運動和尾鰭拍動運動等運動學對魚體水下遊動性能的影響規律，獲得了魚體各個組成部分對自身遊動性能的貢獻度大小，為開發新型機器魚和水下推進技術提供科學依據。 基於上述研究內容，本項目發表標註項目號(NSFC 51205060)的相關學術論文10篇，其中SCI收錄4篇，EI收錄8篇，參加機器人領域國際會議4人次。培養博士研究生2名，已畢業1名，學位論文已送審1名，碩士研究生3名，均已畢業。
