《鰺科魚類遊動中的被動動力效應研究》是依託哈爾濱工業大學，由石勝君擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鰺科魚類遊動中的被動動力效應研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：石勝君
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目針對魚類通過被動動力效應從外部流場吸收或回收能量來提高遊動效率的事實，開展被動動力效應對鰺科魚類提高遊動效率的機理研究。以達到和維持某些典型游速為穩態遊動約束，以魚體游過靜止流場或一些典型複雜流場後，傳遞給尾跡和周圍水介質的動能最小化為目標，以魚體運動學參數為搜尋變數，以計算流體力學理論和仿真工具為主要手段，通過強制學習法尋求魚體遊動效率最佳的運動參數。根據所獲得的效率最佳運動參數條件下的流場演化特徵和魚體的運動形態，研究魚體和水介質之間的相互作用機制，定量揭示魚體通過何種運動形態被動回收尾跡和周圍流場中的動能。然後通過建立魚體動力學模型，並基於效率最佳運動學模型，揭示魚體通過主動運動而被動利用流場能量的內在機理，以及分析最佳遊動特性下的魚體主動驅動特性。最後通過實驗驗證各項理論研究結果的正確性。本項目的研究成果將為高效遊動仿生機器魚的研究提供運動學和動力學理論依據。
結題摘要
本項目核心研究內容和研究目標是揭示鰺科魚類在遊動過程中，如何通過調整身體和魚鰭的運動形態、身體各部分的運動時序等參數，利用周圍流場對魚體的被動動力效應，使自身的能量消耗降至最低。為研究與開發新型水下推進器和高效推進技術提供理論依據。本項目取得的主要研究成果如下： (1) 採用Kane方法建立了仿魚機器人波狀遊動的動力學模型，得到了尾鰭擺動頻率與推進速度，最大擊水角與推進速度之間的關係； (2) 提出了一種仿生原型自主遊動的數值求解方法，採用該方法求解出了穩態遊動速度、推進力和側向力、功率消耗和推進效率等自主遊動性能； (3) 對鮪科仿生原型的常規自主遊動進行了數值模擬，求解魚體自靜止狀態起動，經逐漸加速並最終收斂到穩態遊動的動力學過程； (4) 研究了尾鰭展向柔性對提高仿生原型自主遊動性能的影響機制，發現展向橢圓軌跡擁有最優的穩態遊動速度、推進力和側向力、功率消耗和推進效率性能，揭示了柔性尾鰭對提高仿生原型自主遊動性能的作用機理； (5) 揭示了鮪科仿生原型加速-滑行自主遊動的機理，通過改變擺尾次數和占空比系統地研究了加速-滑行自主遊動的運動學和力能學性能； (6) 建立了魚體運動與周圍流體相互作用的動力學機理和動力學模型，採用分塊耦合方法，將仿生原型遊動的計算區域劃分為魚體域、流體域、魚體/流體交界的動格線域，分別建立了控制方程； (7) 研究了魚體運動與周圍流體相互作用機理，研究了身體運動行為對自主遊動性能的影響機制以及尾鰭運動行為對常規自主遊動性能的影響機制； (8) 對串聯結構下複合拍動翼的推進性能作了分析，獲得了後拍動翼與前拍動翼之間的運動相位差對推進係數的影響；得到了複合翼能較好的利用流場能量時的位置關係； (9) 在魚體如何利用前魚尾跡流場能量的研究中，分析了不同波長、頻率、相位差、縱向間距和橫向間距對後魚遊動性能的影響，揭示了後魚如何可以有效的利用前魚尾跡的能量，獲得更大的推進力和更高的推進效率； (10) 對仿生鰩魚運動方程中的波動頻率、波動振幅及相位角差進行了研究，揭示了這三種運動參數對其水動力學性能的影響。 基於上述研究成果本項目發表相關學術論文9篇，SCI收錄1篇，EI收錄8篇，其中5篇論文均發在《機械工程學報》上；培養已畢業博士研究生1人、碩士研究生5人；培養在讀博士研究生3人、碩士研究生1人。
