仿生尾鳍推进机理分析与减阻研究

发布时间：2017-08-20 04:13

  本文关键词：仿生尾鳍推进机理分析与减阻研究

  更多相关文章： 计算流体力学 推进机理 动网格 水动力特性 逆向工程

【摘要】：随着社会不断发展,陆上资源日趋枯竭,人类将目光投向了广袤的海洋。水下机器人作为海洋资源勘探开发的重要手段越来越受到海洋大国的重视,成为目前海洋技术研究的热点。传统水下机器人一般采用螺旋桨推进器,其推进效率低、灵活性差、噪音大等缺点已成为制约水下机器人推广应用的瓶颈。研制开发高效、高机动和高灵活性的新型水下推进系统,是水下机器人技术发展的必然选择,也是目前水下机器人技术研究的热点方向。鱼类经过亿万年的自然进化,拥有了非凡的水下运动能力,不但具有低能耗、高效率的推进方式,而且具有很高的机动性和灵活性。鱼类的推进方式为新型仿生机器人及仿生推进技术提供了新思路,开展仿生尾鳍推进机理研究对开发新型水下推进系统具有重要的理论意义。本文以海洋中游速较快的旗鱼为研究对象,通过分析旗鱼尾鳍摆动时产生的流场结构,初步探究旗鱼尾鳍推进的机理,并进行了仿生机构的运动拟合。研究结论如下。首先,通过逆向工程技术提取旗鱼模型尾鳍的数据,利用Fluent动网格技术,对鱼尾的沉浮俯仰耦合运动的非定常流场进行了数值计算,利用获得的尾流区域流场特征图,分析了随体涡流和反卡门涡街产生的原理。在此基础上,探讨了沉浮-俯仰运动相位差、尾鳍摆幅、斯德鲁哈尔数(Strouhal Number)等参数对鱼类推进性能的影响规律。结果表明,尾鳍摆动形成的对称旋向的随体涡流演化为向后的射流,从而推进鱼体高效前进；尾鳍运动参数在一定范围内的优化配合可使鱼体获得较高的推进力。其次,将鱼体三维模型和回转体水下航行器三维模型分别进行水动力数值模拟分析,比较二者压力分布和阻力系数,可知扁形鱼体相对于回转体外形的压力分布更加均匀,具有更小的阻力系数。研究结论为仿生型水下航行器外形优化设计提供了理论基础。最后,通过对旗鱼尾部运动进行数学模型分析,并对简化的尾部摆动模型进行推进力计算,获得了尾鳍与尾柄在推进过程中产生推力的原理。并通过尾部仿生机构步态的控制,对尾部运动进行鱼体波仿生拟合,为高效仿生推进系统设计提供了理论依据。本文对尾鳍的推进机理进行了初步探索,运用连杆机构对鱼体波进行仿生拟合运动,并将鱼体外形与传统回转型水下航行器进行外形水动力分析,从而为新型水下推进设备的研制提供了技术方法与理论支持。但鱼类的姿态控制和运动灵活性有自己的独到之处,需要进一步更深入的研究。
【关键词】：计算流体力学 推进机理 动网格 水动力特性 逆向工程
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP242;TB17
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1. 绪论12-23
• 1.1 课题研究背景及意义12-13
• 1.2 鱼类推进方式分类及比较13-15
• 1.3 鱼类推进机理研究15-17
• 1.4 仿生机器鱼的技术发展概况17-21
• 1.5 本论文的主要内容21-23
• 2. CFD数值模拟的基本原理23-29
• 2.1 引言23
• 2.2 基于CFD数值计算的基本方程23-24
• 2.3 湍流模型及其适用范围24-25
• 2.4 CFD基础25-28
• 2.4.1 CFD求解过程25
• 2.4.2 动网格技术25-28
• 2.4.3 UDF编译28
• 2.5 本章小结28-29
• 3. 二维摆动水翼水动力性能与推进机理研究29-49
• 3.1 引言29
• 3.2 鱼体运动与鱼体波函数29-31
• 3.3 尾鳍运动数学模型及其影响参数31-33
• 3.3.1 尾鳍运动数学模型31-32
• 3.3.2 影响尾鳍水动力性能的主要运动参数32-33
• 3.4 计算流场区域的设定33
• 3.5 尾鳍运动的水动力计算结果与分析33-43
• 3.5.1 尾鳍推进机理分析33-36
• 3.5.2 尾流结构参数对尾鳍摆动特性的影响36-38
• 3.5.3 相位差和攻角对尾鳍摆动特性的影响38-41
• 3.5.4 摆幅对尾鳍摆动特性的影响41-43
• 3.6 双尾鳍在流体中推进性能的研究43-47
• 3.6.1 数值计算模型建立43-44
• 3.6.2 动网格设置44-45
• 3.6.3 双尾鳍运动尾涡叠加模式45-46
• 3.6.4 双尾鳍运动尾涡耗散模式46-47
• 3.7 本章小结47-49
• 4. 仿生体减阻水动力分析49-59
• 4.1 物体阻力产生机理49-51
• 4.1.1 航行器阻力基本概念49-50
• 4.1.2 绕流阻力50-51
• 4.2 逆向工程获取旗鱼三维数据模型51-55
• 4.2.1 逆向工程介绍51
• 4.2.2 模型数据提取51-55
• 4.3 简化模型55
• 4.4 鱼体计算域及边界条件设置55-58
• 4.4.1 鱼体计算域的创建55
• 4.4.2 计算域的网格划分55-56
• 4.4.3 鱼体计算域的边界条件56
• 4.4.4 回转型小型水下航行器的计算域及边界条件设置56-58
• 4.5 本章小结58-59
• 5. 尾部运动控制方法59-70
• 5.1 尾部运动分析59-62
• 5.1.1 尾部运动简化模型59-60
• 5.1.2 尾部运动数学分析60-61
• 5.1.3 尾部运动模型建立61-62
• 5.2 尾部运动动力学模型的建立62-66
• 5.2.1 推进力分析62-63
• 5.2.2 鱼体所受阻力分析63-64
• 5.2.3 推进力的计算64-66
• 5.3 鱼体尾部摆动的仿生机构设计66-67
• 5.4 鱼体尾部仿生机构步态拟合67-69
• 5.5 本章小结69-70
• 6. 全文总结与展望70-72
• 6.1 全文总结70
• 6.2 展望70-72
• 参考文献72-76
• 致谢76-77
• 个人简历77
• 发表的学术论文77

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 任福君,张岚,王殿君,孟庆鑫;水下机器人的发展现状[J];佳木斯大学学报(自然科学版);2000年04期

2 ;水下机器人[J];军民两用技术与产品;2002年03期

3 成巍 ,苏玉民 ,秦再白 ,万磊 ,徐玉如;一种仿生水下机器人的研究进展[J];船舶工程;2004年01期

4 武建文,李德成;海洋水下机器人电动机分析[J];微特电机;2004年04期

5 陈开权;美国开发的新型水下机器人[J];水雷战与舰船防护;2005年03期

6 翟宇毅,刘亮,龚振邦;超小型水下机器人的发展现状及若干问题探讨[J];机床与液压;2005年02期

7 曾妮;杭观荣;曹国辉;王振龙;;仿生水下机器人研究现状及其发展趋势[J];机械工程师;2006年04期

8 胡志强;林扬;谷海涛;;水下机器人粘性类水动力数值计算方法研究[J];机器人;2007年02期

9 徐玉如;苏玉民;;关于发展智能水下机器人技术的思考[J];舰船科学技术;2008年04期

10 ;机器人[J];机械工程师;2008年08期

中国重要会议论文全文数据库 前10条

1 徐玉如;;智能水下机器人技术的展望[A];面向21世纪的科技进步与社会经济发展（上册）[C];1999年

2 桑恩方;;用水下机器人进行堤坝安全隐患检测[A];泄水建筑物安全及新材料新技术应用论文集[C];2010年

3 王建国;吴恭兴;孙玉山;万磊;庞永杰;;水下机器人容错控制研究[A];第十四届中国海洋（岸）工程学术讨论会论文集（上册）[C];2009年

4 翟宇毅;刘亮;张瑞勇;罗焕新;;一种新型超小型水下机器人的控制器设计[A];中国电子学会电子机械工程分会2009年机械电子学学术会议论文集[C];2009年

5 黄东武;暴景阳;桑金;;水下机器人双频识别声呐系统应用研究[A];第二十一届海洋测绘综合性学术研讨会论文集[C];2009年

6 赖立明;;自治式无缆水下机器人加速度控制[A];1992年中国控制与决策学术年会论文集[C];1992年

7 ;我国设计生产的水下机器人装备海军[A];中国航海学会救捞专业委员会99年优秀论文选[C];1999年

8 徐国华;童剑;段国强;潘小炬;;水下机器人漏水检测系统研究[A];2004年船舶与海洋工程学术研讨会论文集[C];2004年

9 常文田;孙玉山;毛宇峰;梁霄;;水下机器人模糊自寻优控制器的设计[A];全国自动化新技术学术交流会会议论文集（一）[C];2005年

10 王波;苏玉民;于宪钊;;水下机器人操纵运动水动力计算与仿真[A];2008年船舶水动力学学术会议暨中国船舶学术界进入ITTC30周年纪念会论文集[C];2008年

中国重要报纸全文数据库 前10条

1 袁跃东;先河独开的《水下机器人》[N];光明日报;2001年

2 刘军;印度研制水下机器人[N];人民日报;2003年

3 袁跃东;水下机器人先河独开的奠基宏篇[N];中华读书报;2001年

4 黄建高;天津水下机器人研制成功[N];西部时报;2008年

5 本报记者 钱秀丽;探秘中国水下机器人[N];中国海洋报;2008年

6 通讯员 张洪骏 本报记者 杨莉;水下机器人:海上打捞救助新武器[N];中国交通报;2012年

7 记者 李俨儿 通讯员 吉娜;上海海事大学研发成功新型水下机器人[N];中国船舶报;2013年

8 记者 李琴;点燃水下机器人产业化热情[N];中国船舶报;2013年

9 通讯员 杜兴民 记者 沈谦;七0五所成功研制出“水下机器人”[N];陕西日报;2014年

10 林鹰 一平;水下机器人成为扫雷高手[N];中国船舶报;2004年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 潘立鑫;水下机器人近水面横遥减摇控制策略研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

2 刘和平;浅水水下机器人设计与控制技术工程研究[D];上海大学;2009年

3 高延增;超小型水下机器人关键性能提升技术研究[D];华南理工大学;2010年

4 林龙信;仿生水下机器人的增强学习控制方法研究[D];国防科学技术大学;2010年

5 王玉甲;水下机器人智能状态监测系统研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

6 姜大鹏;多水下机器人协调控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2011年

7 杨立平;舵桨联控式水下机器人容错控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2010年

8 温秀平;水下机器人特性分析及其控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

9 常文君;基于神经网络的多水下机器人协调控制方法研究[D];哈尔滨工程大学;2004年

10 由光鑫;多水下机器人分布式智能控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2006年

中国硕士学位论文全文数据库 前10条

1 季东军;模块化水下机器人及其故障诊断研究[D];哈尔滨工程大学;2008年

2 崔寅;基于模糊神经算法的带缆遥控水下机器人控制系统建模与仿真研究[D];华南理工大学;2010年

3 段三军;一种小型开架式水下机器人系统的研制[D];北京邮电大学;2011年

4 胡明茂;开架式水下机器人系统辨识与控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2007年

5 姚华俊;水下机器人的部件原理探究以及工程运用分析[D];上海交通大学;2007年

6 叶志坚;水下机器人多自由度控制下水动力响应的多重滑移网格技术分析[D];华南理工大学;2015年

7 郭楠;水下机器人3-RRR矢量推进球面并联机构的研究[D];山东大学;2015年

8 李冠男;基于图论法的多水下机器人编队控制研究[D];沈阳理工大学;2015年

9 眭翔;面向海洋工程水下结构检测的ROV研制及运动控制研究[D];江苏科技大学;2015年

10 邓岩;新型喷水推进式水下机器人关键技术研究[D];北京理工大学;2015年

，

本文编号：704546