仿企鹅扑鳍推进水动力性能的数值预报研究

发布时间：2020-05-01 03:29

【摘要】：扑鳍式海洋生物像企鹅、海龟、海狮等使用胸鳍作为主要的推进器官,其姿态的操纵与控制都是通过鳍的摆动产生推力和升力实现的,具有很高的推进效率。企鹅具有优美的流线型轮廓,游动速度快，水下捕鱼机动灵活,其优异的扑鳍推进与操纵性能非常值得研究人员开展深入研究。本文通过建立仿企鹅模型,运用数值模拟方法进行了仿企鹅扑鳍推进水动力性能的相关研究。首先,论文结合美国DARPA潜艇模型SUBOFF的试验模型及试验数据,验证了基于STAR-CCM+软件预报水下航行体水动力性能的适用性和计算精度,在此基础上通过建立仿企鹅模型,并进行首部和尾部优化设计,对仿企鹅模型进行阻力数值研究,分析三个模型的阻力和阻力系数,确定了仿企鹅模型的外形设计。然后,为了验证STAR-CCM+软件预报扑翼运动水动力性能的适用性和计算精度,采用Read在MIT所做的NACA0012剖面翼型扑翼实验模型作为研究对象,通过STAR-CCM+软件对二维翼型进行基于升力模式的数值研究,探讨了斯特罗哈尔数St对其水动力性能的影响,并将计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了数值计算方法的适用性;在此基础上,对仿企鹅胸鳍模型进行了基于升力模式的水动力性能预报研究,探讨了来流速度、频率、俯仰振幅、拍动振幅对其水动力性能的影响。最后,论文对仿企鹅胸鳍模型进行了阻力模式的扑鳍运动数值模拟研究,通过设计胸鳍运动模型,探讨了来流速度、频率、划动振幅对其水动力性能的影响。通过对仿企鹅基于升力模式和阻力模式的扑鳍推进数值研究,发现基于升力模式的扑鳍运动具有更高的推进效率,最大为0.63。
【图文】：

海龟,推进方式,企鹅,海狮

公元前１．５亿年逡逑？鸟类，例如企鹅逡逑图１．１扑鳍动物的进化和分类逡逑图１．２企鹅、海龟、海狮以扑鳍推进为主要推进方式逡逑仿生学（ｂｕｓｉｅｓ）是一门交叉学科，将生命科学与机械、材料和信息等工程技术逡逑相结合，其目的是研宄和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，为工程技术逡逑提供新的设计理念、工作原理和系统构成［１１］。美国、日本等发达国家从上世纪９０年代逡逑就开始了仿生机器人的研究和应用工作，虽然只有二十多年的研宄历史，但发展迅速，逡逑已经走到了世界前列，尤其是非常规环境下工作的仿生机器人已经得到了广泛的应用逡逑［１２］。随着仿生技术的不断发展，仿生鱼类、海龟等海洋生物形态甚至是运动方式的水逡逑下机器人将会不断增加１１３］，，仿生水下机器人将会得到蓬勃发展。逡逑仿生推进作为水下推进技术的重要领域，它为研宄不同类型与性能的水下机器人逡逑提供了新的方向。扑鳍推进方式的独到之处在于各种运动的动力皆源于胸鳍的上下拍逡逑动、前后划动以及不断改变胸鳍前缘的上翘和下沉姿态

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前后的划动；当然这些自然界的生物都是进行复杂的多自由度扑鳍（翼）运动。扑鳍逡逑运动可实现水生动物在水中的六自由度运动［１６］，可以将其分为基于升力模式和阻力模逡逑式两种运动方式。图１．３为帝企鹅扑鳍游动示意图［１７］，帝企鹅胸鳍在摆动过程中分别逡逑产生了方向正交的阻力和（负）升力，它们在水平方向的合力使得胸鳍不断产生前进逡逑的动力。因此，扑鳍推进是升力模式推进和阻力模式推进的耦合推进方式［１８］。逡逑、、逦一逦／（负）／丨力逡逑图１．３帝企鹅扑鳍游动示意图逡逑１．２．１基于升力模式的扑鳍推进逡逑通过仿生学、运动学原理将复杂的扑鳍运动方式简化为基于升力模式和基于阻力逡逑３逡逑
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661

【参考文献】