基于CFD的胸/尾鳍协同推进仿生机器鱼水动力学特性分析
发布时间：2022-01-02 12:43
随着对水下机器人的研究和使用的不断扩大,对提高仿生机器鱼的效率和性能的需求也在增加,以便其能适应更长时间、更复杂的任务。众所周知,仿生机器鱼动态行为的精确仿真以及高性能运动姿态控制器的设计依赖于准确的载体与推进系统的水动力学模型,因此建立准确的水动力学模型,利用软件对其游动模态进行仿真分析,研究机器鱼的流体动力学显得尤其重要。本论文以仿箱鲀科机器鱼为研究对象,利用计算流体力学（CFD,Computational Fluid Dynamics）技术,研究了不同运动条件对机器鱼胸鳍和尾鳍协同推进的水动力学影响,主要工作和创新成果如下:（1）将整个机器鱼放入流场,两侧胸鳍和尾鳍以正弦规律运动,建立仿生机器鱼滑移动网格模型,使用CFD流体仿真分析软件,对其直游时胸鳍推进模式、尾鳍推进模式、胸/尾鳍协同推进模式的水动力学特性进行对比,得出不同模式下机器鱼水动力学的变化规律。从压力变化云图中,胸/尾鳍协同推进产生的压力变化最为复杂;从速度涡量变化图中,胸/尾鳍协同推进产生最为复杂的涡量变化,胸鳍运动产生的涡会逐渐脱落向后移动,和尾鳍产生的涡互相作用,增加尾鳍的推力,从而证明胸/尾鳍协同推进模式是一...
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
鱼类推进模式分类[25]
基于CFD的胸/尾鳍协同推进仿生机器鱼水动力学特性分析-4-(ii)反向循环减弱涡(iii)反向卡门涡街图1.2三种基本的相互作用模式[29]随着对鱼类游动机理的研究的发展，后期的研究趋向于按照鱼类游动方式的分类来开展。针对BCF模式推进的鱼类水动力学研究，主要成果如下：1960年，Lighthill在鱼类游动机理的分析中引入了“细长体理论”，该理论广泛应用在航空领域，他根据该理论，建立了一个只考虑惯性力对鱼类游动影响的鲹科鱼类推进模式的数学模型，通过将鱼体设置为多个有限的小单元，分别研究每个单元的力学性能，最后通过沿鱼体方向积分获得运动的流体动力学参数[31]。Wu在1961年提出的“二维波动板理论”，将鱼体假设为一个具有弹性无限长二维薄板，薄板的运动行波与鱼体运动的行波等效，该研究过程中考虑了惯性力和尾涡的影响[32]。1971年，吴耀祖在系统研究扁平月牙型尾鳍鱼类的游动机理时，提出了一个能够应用于该研究的“非定常二维波动板理论”，该理论能够更进一步的分析鱼类的游动机理[33]。1970年Lighthill正式提出了“细长体理论”，应用该理论可计算尾鳍波动下的推进效率，能够研究尾鳍动力学，并且通过分析推进效率与尾涡强度的关系，提出了一种通过增大尾鳍展弦比来增大运动速度和推进效率的方法。根据该理论，尾涡强度越大，鱼体动能耗散越厉害，而在自然界中，新月型尾鳍的尾涡从鳍表面的后边缘脱落，因此减少了鱼体的耗散量，从而提升了鱼体的游动速度，这一
兰州交通大学硕士学位论文-9-式中：散度积分根据格林公式化为面积积分，控制体的表面积为A。该方程的物理意义为：时间t内和体积CV内的变化+时间t内流过控制体表面的对流量u=时间t内通过控制体表面的扩散量+时间t内控制体CV内源项的变化。2.2.2计算流体力学分析过程CFD的数值计算通常由前处理模块、CFD计算模块、后处理模块三部分组成，如图2.1所示。图2.1计算流体分析的一般过程示意图2.3仿生机器鱼CFD建模调研结果表明，现有的结果都只是利用CFD软件,在流场中放入单一刚性胸鳍片或者没有胸鳍，只有尾鳍推动的鱼体进行分析，如文献[63]和文献[42],而同时在流场中对鱼体和胸鳍耦合作用的分析研究极少，也就是说，很少考虑机器鱼外形因素等对流场的影响。针对这一问题，本章以实验室所设计仿箱鲀科机器鱼为研究对象，建立了由鱼体、刚性胸鳍和尾鳍等三部分构成的机器鱼整体模型，分析两者的耦合作用。其中，所建模型中单侧胸鳍均具有两个自由度，尾鳍具有一个自由度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]自然启迪技术灵感,仿生提升机动性能——解读《高机动仿生机器鱼设计与控制技术》[J]. 喻俊志,吴正兴. 中国机械工程. 2019(04)
[2]智能无人水下航行器水下回收对接技术综述[J]. 孙叶义,武皓微,李晔,姜言清,周子烨. 哈尔滨工程大学学报. 2019(01)
[3]单关节尾鳍驱动式机器鱼的运动分析与仿真[J]. 成玉强,帅长庚. 海洋技术学报. 2018(06)
[4]水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展[J]. 傅珂杰,曹许诺,张桢,刘先卫,李国瑞,梁艺鸣,李铁风. 科技导报. 2017(18)
[5]机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究[J]. 李宗刚,徐卫强,王文博,杜亚江. 船舶力学. 2017(05)
[6]一种2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼转弯特性研究[J]. 李宗刚,马伟俊,葛立明,杜亚江. 机器人. 2016(05)
[7]BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析[J]. 崔祚,姜洪洲,何景峰,佟志忠. 机械工程学报. 2015(16)
[8]柔性机构及其应用研究进展[J]. 于靖军,郝广波,陈贵敏,毕树生. 机械工程学报. 2015(13)
[9]胸鳍摆动推进仿生鱼的设计及水动力实验[J]. 牛传猛,毕树生,蔡月日,张利格,马宏伟. 机器人. 2014(05)
[10]中央鳍/对鳍推进模式的仿生自主水下机器人发展现状综述[J]. 王田苗,杨兴帮,梁建宏. 机器人. 2013(03)
博士论文
[1]鲔科仿生原型自主游动机理的研究[D]. 夏丹.哈尔滨工业大学 2010
[2]仿生水下机器人仿真与控制技术研究[D]. 成巍.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]粘性流场中鱼类胸鳍的水动力分析[D]. 王兆立.哈尔滨工程大学 2008
[2]仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究[D]. 戴坡.哈尔滨工业大学 2006
[3]SPC-Ⅱ推进系统设计及仿鱼推进器研究[D]. 梁传秋.哈尔滨工程大学 2004
本文编号：3564199
【文章来源】：兰州交通大学甘肃省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
鱼类推进模式分类[25]
基于CFD的胸/尾鳍协同推进仿生机器鱼水动力学特性分析-4-(ii)反向循环减弱涡(iii)反向卡门涡街图1.2三种基本的相互作用模式[29]随着对鱼类游动机理的研究的发展，后期的研究趋向于按照鱼类游动方式的分类来开展。针对BCF模式推进的鱼类水动力学研究，主要成果如下：1960年，Lighthill在鱼类游动机理的分析中引入了“细长体理论”，该理论广泛应用在航空领域，他根据该理论，建立了一个只考虑惯性力对鱼类游动影响的鲹科鱼类推进模式的数学模型，通过将鱼体设置为多个有限的小单元，分别研究每个单元的力学性能，最后通过沿鱼体方向积分获得运动的流体动力学参数[31]。Wu在1961年提出的“二维波动板理论”，将鱼体假设为一个具有弹性无限长二维薄板，薄板的运动行波与鱼体运动的行波等效，该研究过程中考虑了惯性力和尾涡的影响[32]。1971年，吴耀祖在系统研究扁平月牙型尾鳍鱼类的游动机理时，提出了一个能够应用于该研究的“非定常二维波动板理论”，该理论能够更进一步的分析鱼类的游动机理[33]。1970年Lighthill正式提出了“细长体理论”，应用该理论可计算尾鳍波动下的推进效率，能够研究尾鳍动力学，并且通过分析推进效率与尾涡强度的关系，提出了一种通过增大尾鳍展弦比来增大运动速度和推进效率的方法。根据该理论，尾涡强度越大，鱼体动能耗散越厉害，而在自然界中，新月型尾鳍的尾涡从鳍表面的后边缘脱落，因此减少了鱼体的耗散量，从而提升了鱼体的游动速度，这一
兰州交通大学硕士学位论文-9-式中：散度积分根据格林公式化为面积积分，控制体的表面积为A。该方程的物理意义为：时间t内和体积CV内的变化+时间t内流过控制体表面的对流量u=时间t内通过控制体表面的扩散量+时间t内控制体CV内源项的变化。2.2.2计算流体力学分析过程CFD的数值计算通常由前处理模块、CFD计算模块、后处理模块三部分组成，如图2.1所示。图2.1计算流体分析的一般过程示意图2.3仿生机器鱼CFD建模调研结果表明，现有的结果都只是利用CFD软件,在流场中放入单一刚性胸鳍片或者没有胸鳍，只有尾鳍推动的鱼体进行分析，如文献[63]和文献[42],而同时在流场中对鱼体和胸鳍耦合作用的分析研究极少，也就是说，很少考虑机器鱼外形因素等对流场的影响。针对这一问题，本章以实验室所设计仿箱鲀科机器鱼为研究对象，建立了由鱼体、刚性胸鳍和尾鳍等三部分构成的机器鱼整体模型，分析两者的耦合作用。其中，所建模型中单侧胸鳍均具有两个自由度，尾鳍具有一个自由度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]自然启迪技术灵感,仿生提升机动性能——解读《高机动仿生机器鱼设计与控制技术》[J]. 喻俊志,吴正兴. 中国机械工程. 2019(04)
[2]智能无人水下航行器水下回收对接技术综述[J]. 孙叶义,武皓微,李晔,姜言清,周子烨. 哈尔滨工程大学学报. 2019(01)
[3]单关节尾鳍驱动式机器鱼的运动分析与仿真[J]. 成玉强,帅长庚. 海洋技术学报. 2018(06)
[4]水下软体机器人柔性驱动方式及其仿生运动机理研究进展[J]. 傅珂杰,曹许诺,张桢,刘先卫,李国瑞,梁艺鸣,李铁风. 科技导报. 2017(18)
[5]机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究[J]. 李宗刚,徐卫强,王文博,杜亚江. 船舶力学. 2017(05)
[6]一种2自由度胸鳍推进仿生箱鲀机器鱼转弯特性研究[J]. 李宗刚,马伟俊,葛立明,杜亚江. 机器人. 2016(05)
[7]BCF仿生鱼游动机理的研究进展及关键技术分析[J]. 崔祚,姜洪洲,何景峰,佟志忠. 机械工程学报. 2015(16)
[8]柔性机构及其应用研究进展[J]. 于靖军,郝广波,陈贵敏,毕树生. 机械工程学报. 2015(13)
[9]胸鳍摆动推进仿生鱼的设计及水动力实验[J]. 牛传猛,毕树生,蔡月日,张利格,马宏伟. 机器人. 2014(05)
[10]中央鳍/对鳍推进模式的仿生自主水下机器人发展现状综述[J]. 王田苗,杨兴帮,梁建宏. 机器人. 2013(03)
博士论文
[1]鲔科仿生原型自主游动机理的研究[D]. 夏丹.哈尔滨工业大学 2010
[2]仿生水下机器人仿真与控制技术研究[D]. 成巍.哈尔滨工程大学 2004
硕士论文
[1]粘性流场中鱼类胸鳍的水动力分析[D]. 王兆立.哈尔滨工程大学 2008
[2]仿生机器鱼的控制系统设计与实验研究[D]. 戴坡.哈尔滨工业大学 2006
[3]SPC-Ⅱ推进系统设计及仿鱼推进器研究[D]. 梁传秋.哈尔滨工程大学 2004
本文编号：3564199
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3564199.html
