海豚摆尾推进性能仿真研究

发布时间：2020-06-18 12:06

【摘要】：在海洋开发日益重要的现在,水下航行器给人类带来了巨大的利益,并逐渐得到了各个国家的重视。其中仿生机器海豚的研制更是热门研究内容之一。这缘于海豚拥有极佳的游动能力。人类希望通过研究海豚能进一步提高航行器的水动力性能。早期研究认为海豚有特殊的减阻机制,但是近些年的研究表明,海豚并不存在特殊的减阻机制,海豚能够如此高速游动主要在于其摆尾能够产生巨大的推力,从而支撑其持续的高速游动。本文以文献中某一海豚为原型,通过数值仿真方法结合网格变形技术对海豚的摆尾推进性能进行研究。主要做了以下工作:1.对摆尾推进的国内外研究现状、研究目的和意义进行了阐述,提出了论文的研究方法和主要内容;2.通过仿真计算海豚阻力以及系柱情况下的摆尾推力大小,仿真计算结果与实验数据以及相关文献结果进行对比,两者吻合较好,验证了数值计算方法的可行性,为后文的研究打下了坚实的基础;3.研究海豚身体摆动部分与尾鳍之间的相位差对推进性能的影响,并且参考了类推进效率的概念,采用类推进效率来评估自推进物体的推进效率,计算结果表明海豚身体摆动部分与尾鳍的相位差为90°时,推进效率最高,并且分析了其产生的原因;4.研究了斯特劳哈尔数对推进性能的影响,计算结果表明斯特劳哈尔数在0.25-0.4之间时,推进效率变化不大,这与文献观察结果基本一致。论文最后研究了多级变形即主体变形加上尾鳍的主动弦向变形对推进性能的影响,计算结果表明适当的尾鳍弦向变形可以有效增加推进效率。论文采用数学公式描述了海豚摆尾形状变化,并结合网格变形技术,用数值方法研究海豚摆尾推进性能。采用类推进效率的概念来评估自推进物体的推进效率。结果表明尾鳍的主动变形可有效增加推进效率,并为摆尾仿生推进器的设计提供了理论依据。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.941
【图文】：

散点图,海豚,拍动

运动形式与鳗鲡模式相同；尾鳍摆动模型最为独特，通过该进的鱼类尾鳍往往具有很大的刚性，不再具有波动推进的特征。海豚的推于第三种尾鳍摆动模式，它的月牙尾在摆尾过程中几乎没有形变，尾部摆了波动推进的特征。此外海豚尾部截面在运动方向上呈梭型，月牙尾与尾分呈细条状，因此前进所需的有效推力几乎全来自于月牙尾的拍动。逡逑ＩＴ［１４＿１５］曾对拍动翼的推进性能做过一系列试验。在试验中，拍动翼做升沉和，试验中的变量为拍动翼的Ｓｔ，试验证明，Ｓｔ对拍动翼的效率影响巨大，点出现在Ｓｔ为０．２５左右。同时该课题组还通过理论计算提出了邋Ｓｔ的最佳０．２５－０．３５之间。逡逑有说服力的报道来自于Ｒ0ｈｒ［１６］等人在上世纪末做出的一份海豚游动报告。际观测了海豚游动时的Ｓｔ，并给出Ｓｔ与Ｒｅ的散点图，图中大多数的点落－０．４范围内，并与雷诺数无关，再次证明在海豚游动中Ｓｔ数一定对应着相关能，两者存在着某种必然的联系。逡逑０＾１逦—逦逦逦逦逦逡逑

网格图,海豚,求解器,网格图

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【参考文献】