尾鳍推进数值研究
发布时间：2021-08-09 09:55
本文对尾鳍波状推进在层流/湍流中的水动力特性、流场特性、尾涡结构等问题进行全面的研究,对三维平板的波状运动做了初步探究。主要的工作及相关结论如下:提出了一种自适应贴体结构网格快速生成的动网格计算方案,解决了在复杂边界柔性运动的流场中使用高精度结构化网格的应用问题。该方法依据边界运动,逐时间步快速生成全流场新的高质量结构化网格。有效避免了高计算负荷、网格交叉、多时间步网格质量下降等问题。使用NACA0010翼型作为鱼体模型模拟波状游动。对其在层流/湍流条件下的研究发现,在层流状态下,鱼体波状推进的推进效率ηP为40%至60%。在湍流状态下,波状推进的推进效率ηP接近80%。在层流状态下（Re<104）鱼体波状运动会导致鱼体所受的摩擦阻力相较于刚体拖曳显著提高,而湍流状态时（Re>106）,鱼体的摩擦阻力开始低于刚体。且随着雷诺数Re的增加,摩擦阻力下降的趋势更加明显。对湍流流场进一步分析发现,尾流中的无论是湍动能或是湍流黏度比相对于刚体均出现了下降。随雷诺数Re的增大,下降幅度逐渐增大,这...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
鱼类身体结构示意图
图 1-3 BCF 游动模式—(a)鳗鲡模式；(b)亚鲹科模式；(c)鲹科模式；(d)金枪鱼模式[3]Fig.1-3 BCF modes(a) anguilliform; (b) subcarangiform; (c) carangiform; (d) thunniform[3]对于鳗鲡模式，整个鱼体都进行弯曲波动且波幅较大。通常鱼体会呈现为至少一个完整的波形。亚鲹科模式和鲹科模式有着相似的形态和机理，但两种模式进行波动的身体长度百分比不同。对于亚鲹科模式，约一半的身体会进行波动，而对于鲹科模式，只有约身体的后 1/3 才进行波动。金枪鱼模式通常是快速游动鱼游生物采用的游动方式，因此也被认为是快速游动鱼类进化的杰出代表。与前面几种模式不同的是，约 90%的推力都来自于尾鳍。这样的游动模式使得如金枪鱼、鲨鱼等海洋生物能够长时间保持很高的巡游速度。1.3 鱼类游动的研究现状和进展鱼游生物长久以来就是仿生学研究中的重点研究对象之一，其研究包括了材料、传感器、生物力学等多方面的内容。其中类鱼游动的流体力学特性是重要组成部分。类鱼游动的流体力学问题研究对象是做波状游动的可变性柔性体，非线性、非定常特征格外明显。类鱼游动的流体力学研究的先驱者是英国动物学家
上海交通大学硕士学位论文格下求解高黏度流的 NS 方程来研究蠕动推进，发现蠕动的有效推进运动依赖于雷诺数。Nakaoka 和 Toda[13]采用动网格求解 NS 方程模拟 NACA0010 类鱼游动时的流场，结果显示类鱼运动是得到推力的有效方式，三种运动模型被相互比较并导出产生大的平均推力的办法。Doi 和 Yhomatsu[14]数值研究了高黏性流体中波状摆动板周围的非定常黏性流场，讨论了波状摆动板在高黏性流中产生推力的能力，以及推力和推进效率对波数和相速度的依赖性。近年来，关于鱼游水动力特性的相关研究也取得了相当的进展。Gazzola[15]等研究了极大范围内的生物游动特征，重点考察了不同动物在不同的流体环境内的尺度效应。他们提出一个新的参数，并称之为游动系数（Swimming number, Sw）。通过对实际生物数据的采集统计和相关数值模拟的计算，研究得出对于自然界中的游动物体，从蠕虫、幼鱼苗到哺乳动物、到各种鱼类，他们的游动系数 Sw 与他们游动环境的 Re 的联系均落在了指数律上。在层流中，雷诺数 Re 正比于游动系数的 4/3 次方；在湍流中，雷诺数 Re 正比于 Sw。
【参考文献】：
期刊论文
[1]自主航行模式下二维摆动尾鳍的推进性能研究[J]. 王志东,丛文超,张淋,李力军. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2010(06)
[2]长背鳍扭波推进活鱼实验研究[J]. 蒋小勤,杜德锋,彭钧. 海军工程大学学报. 2010(03)
[3]仿鲹科机器鱼的倒退游动控制[J]. 周超,曹志强,王硕,董翔,谭民. 自动化学报. 2008(08)
[4]三维摆动尾鳍的数值模拟[J]. 张晓庆,王志东,周林慧. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2006(01)
[5]水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制[J]. 梁建宏,王田苗,魏洪兴,陶伟. 机器人. 2002(03)
[6]描述鱼类波状游动的流体力学模型及其应用[J]. 童秉纲,庄礼贤. 自然杂志. 1998(01)
[7]鱼类波状摆动推进的流体力学研究[J]. 童秉纲,庄礼贤,程健宇. 力学与实践. 1991(03)
硕士论文
[1]柔性长鳍扭波推进空间涡结构研究与推进机理分析[D]. 白亚强.中国舰船研究院 2016
[2]任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究[D]. 曹洪才.上海交通大学 2014
[3]基于DPIV技术的摆动尾鳍流场特性研究[D]. 老轶佳.江苏科技大学 2009
本文编号：3331852
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：102 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
鱼类身体结构示意图
图 1-3 BCF 游动模式—(a)鳗鲡模式；(b)亚鲹科模式；(c)鲹科模式；(d)金枪鱼模式[3]Fig.1-3 BCF modes(a) anguilliform; (b) subcarangiform; (c) carangiform; (d) thunniform[3]对于鳗鲡模式，整个鱼体都进行弯曲波动且波幅较大。通常鱼体会呈现为至少一个完整的波形。亚鲹科模式和鲹科模式有着相似的形态和机理，但两种模式进行波动的身体长度百分比不同。对于亚鲹科模式，约一半的身体会进行波动，而对于鲹科模式，只有约身体的后 1/3 才进行波动。金枪鱼模式通常是快速游动鱼游生物采用的游动方式，因此也被认为是快速游动鱼类进化的杰出代表。与前面几种模式不同的是，约 90%的推力都来自于尾鳍。这样的游动模式使得如金枪鱼、鲨鱼等海洋生物能够长时间保持很高的巡游速度。1.3 鱼类游动的研究现状和进展鱼游生物长久以来就是仿生学研究中的重点研究对象之一，其研究包括了材料、传感器、生物力学等多方面的内容。其中类鱼游动的流体力学特性是重要组成部分。类鱼游动的流体力学问题研究对象是做波状游动的可变性柔性体，非线性、非定常特征格外明显。类鱼游动的流体力学研究的先驱者是英国动物学家
上海交通大学硕士学位论文格下求解高黏度流的 NS 方程来研究蠕动推进，发现蠕动的有效推进运动依赖于雷诺数。Nakaoka 和 Toda[13]采用动网格求解 NS 方程模拟 NACA0010 类鱼游动时的流场，结果显示类鱼运动是得到推力的有效方式，三种运动模型被相互比较并导出产生大的平均推力的办法。Doi 和 Yhomatsu[14]数值研究了高黏性流体中波状摆动板周围的非定常黏性流场，讨论了波状摆动板在高黏性流中产生推力的能力，以及推力和推进效率对波数和相速度的依赖性。近年来，关于鱼游水动力特性的相关研究也取得了相当的进展。Gazzola[15]等研究了极大范围内的生物游动特征，重点考察了不同动物在不同的流体环境内的尺度效应。他们提出一个新的参数，并称之为游动系数（Swimming number, Sw）。通过对实际生物数据的采集统计和相关数值模拟的计算，研究得出对于自然界中的游动物体，从蠕虫、幼鱼苗到哺乳动物、到各种鱼类，他们的游动系数 Sw 与他们游动环境的 Re 的联系均落在了指数律上。在层流中，雷诺数 Re 正比于游动系数的 4/3 次方；在湍流中，雷诺数 Re 正比于 Sw。
【参考文献】：
期刊论文
[1]自主航行模式下二维摆动尾鳍的推进性能研究[J]. 王志东,丛文超,张淋,李力军. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2010(06)
[2]长背鳍扭波推进活鱼实验研究[J]. 蒋小勤,杜德锋,彭钧. 海军工程大学学报. 2010(03)
[3]仿鲹科机器鱼的倒退游动控制[J]. 周超,曹志强,王硕,董翔,谭民. 自动化学报. 2008(08)
[4]三维摆动尾鳍的数值模拟[J]. 张晓庆,王志东,周林慧. 江苏科技大学学报(自然科学版). 2006(01)
[5]水下仿生机器鱼的研究进展II—小型实验机器鱼的研制[J]. 梁建宏,王田苗,魏洪兴,陶伟. 机器人. 2002(03)
[6]描述鱼类波状游动的流体力学模型及其应用[J]. 童秉纲,庄礼贤. 自然杂志. 1998(01)
[7]鱼类波状摆动推进的流体力学研究[J]. 童秉纲,庄礼贤,程健宇. 力学与实践. 1991(03)
硕士论文
[1]柔性长鳍扭波推进空间涡结构研究与推进机理分析[D]. 白亚强.中国舰船研究院 2016
[2]任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究[D]. 曹洪才.上海交通大学 2014
[3]基于DPIV技术的摆动尾鳍流场特性研究[D]. 老轶佳.江苏科技大学 2009
本文编号：3331852
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