仿生尾鰭推進機理分析與減阻研究.pdf

1、隨著社會不斷發(fā)展，陸上資源日趨枯竭，人類將目光投向了廣袤的海洋。水下機器人作為海洋資源勘探開發(fā)的重要手段越來越受到海洋大國的重視，成為目前海洋技術研究的熱點。傳統(tǒng)水下機器人一般采用螺旋槳推進器，其推進效率低、靈活性差、噪音大等缺點已成為制約水下機器人推廣應用的瓶頸。研制開發(fā)高效、高機動和高靈活性的新型水下推進系統(tǒng)，是水下機器人技術發(fā)展的必然選擇，也是目前水下機器人技術研究的熱點方向。魚類經(jīng)過億萬年的自然進化，擁有了非凡的水下運動能力，不

2、但具有低能耗、高效率的推進方式，而且具有很高的機動性和靈活性。魚類的推進方式為新型仿生機器人及仿生推進技術提供了新思路，開展仿生尾鰭推進機理研究對開發(fā)新型水下推進系統(tǒng)具有重要的理論意義。本文以海洋中游速較快的旗魚為研究對象，通過分析旗魚尾鰭擺動時產(chǎn)生的流場結構，初步探究旗魚尾鰭推進的機理，并進行了仿生機構的運動擬合。研究結論如下。
　　首先，通過逆向工程技術提取旗魚模型尾鰭的數(shù)據(jù)，利用Fluent動網(wǎng)格技術，對魚尾的沉浮俯仰耦合運

3、動的非定常流場進行了數(shù)值計算，利用獲得的尾流區(qū)域流場特征圖，分析了隨體渦流和反卡門渦街產(chǎn)生的原理。在此基礎上，探討了沉浮-俯仰運動相位差、尾鰭擺幅、斯德魯哈爾數(shù)(Strouhal Number)等參數(shù)對魚類推進性能的影響規(guī)律。結果表明，尾鰭擺動形成的對稱旋向的隨體渦流演化為向后的射流，從而推進魚體高效前進;尾鰭運動參數(shù)在一定范圍內(nèi)的優(yōu)化配合可使魚體獲得較高的推進力。
　　其次，將魚體三維模型和回轉體水下航行器三維模型分別進行水動力

4、數(shù)值模擬分析，比較二者壓力分布和阻力系數(shù)，可知扁形魚體相對于回轉體外形的壓力分布更加均勻，具有更小的阻力系數(shù)。研究結論為仿生型水下航行器外形優(yōu)化設計提供了理論基礎。
　　最后，通過對旗魚尾部運動進行數(shù)學模型分析，并對簡化的尾部擺動模型進行推進力計算，獲得了尾鰭與尾柄在推進過程中產(chǎn)生推力的原理。并通過尾部仿生機構步態(tài)的控制，對尾部運動進行魚體波仿生擬合，為高效仿生推進系統(tǒng)設計提供了理論依據(jù)。
　　本文對尾鰭的推進機理進行了初步