仿生机器鱼运动机理及水动力性能研究

发布时间：2017-05-27 21:12

  本文关键词：仿生机器鱼运动机理及水动力性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：鱼类在运动过程中具有高速、高效和低噪声的特点,这些特性对于仿生水下机器人研究很有帮助,如果将其推进和操纵机理用于水下机器人,替代传统的推进器系统,对于解决目前水下机器人高耗能、大噪声、低效率的缺陷有着十分重要的意义,近年来一直受到广泛关注。本文采用Fluent软件先进的流体分析技术及强大的后处理系统,对仿生机器鱼运动机理及三维模型的流场进行了数值研究。首先,进行了定常流状态下二维尾鳍的水动力性能及其相关流场特性的研究,探讨了网格结构、计算参数等对水翼流体动力性能分析结果的影响,采用对应流场结构显示模式,并选取适合的计算模式与求解参数的方法确定翼型。然后,本文还进行了鱼类快速起动运动学的基础研究。快速起动是一种瞬态非定常游动,按照起动过程中鱼体的弯曲形状,分为S形起动和C形起动,并分别建立了仿生机器鱼S形和C形起动的运动学模型,对主动和被动S形起动、C形起动的鱼体体干曲线波分别进行了仿真计算和分析,并建立了鱼体快速起动的动力学模型。在此基础上,对仿生机器鱼主动、被动S形起动和C形起动运动方式的游动位移、游速及流场的压力分布进行了仿真计算,分别研究了两种快速起动运动方式的运动特性及区别。最后,以金枪鱼为仿生对象,依据金枪鱼的体型特征,建立了仿生机器鱼三维模型,利用Fluent流场分析软件对定常正向来流情况下金枪鱼鱼体受力进行了数值计算,在对计算结果分析的基础上,获得了本模型在特定流场下压力分布情况以及鱼体所受阻力情况。本文采用理论分析和仿真计算相结合的研究方法,研究分析了仿生机器鱼的运动机理和水动力特性,仿真结果与自然界鱼类的运动特征规律基本吻合,为水下仿生机器鱼的研制提供了理论基础,为仿生机器鱼的优化设计提供了依据。
【关键词】：仿生机器鱼 Fluent 尾鳍 快速起动 水动力
【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
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 1 绪论10-16
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 仿生机器鱼国内外研究概况11-15
• 1.2.1 国外发展概况11-13
• 1.2.2 国内发展概况13-15
• 1.3 研究内容及方法15-16
• 1.3.1 研究内容15
• 1.3.2 研究方法15-16
• 2 仿生机器鱼相关基础知识概述16-25
• 2.1 仿生机器鱼基本概念16-18
• 2.1.1 鱼类游动方式分类16-17
• 2.1.2 湽科加新月形尾鳍推进机理17
• 2.1.3 仿生机器鱼的特点17-18
• 2.2 鱼体运动分析18-19
• 2.3 尾鳍运动分析19-21
• 2.3.1 不同鱼类尾鳍的形状19
• 2.3.2 尾鳍运动19-21
• 2.3.3 影响尾鳍运动的参数21
• 2.4 鱼类运动力学分析21-24
• 2.4.1 推进力分析21-23
• 2.4.2 阻力分析23-24
• 2.5 本章小结24-25
• 3 二维尾鳍定常水动力性能计算25-38
• 3.1 流场中尾鳍水动力特性25-27
• 3.1.1 升力特性分析25-26
• 3.1.2 阻力特性分析26
• 3.1.3 俯仰力矩分析26-27
• 3.2 数值计算27-33
• 3.2.1 计算流体动力学的基本理论和数值计算方法27-28
• 3.2.2 FLUENT软件介绍28-29
• 3.2.3 控制方程与湍流模型29-31
• 3.2.4 二维流场的网格生成31-32
• 3.2.5 边界条件的设定32-33
• 3.2.6 设置求解过程的监控参数33
• 3.3 翼型确定33-37
• 3.4 本章小结37-38
• 4 快速起动的动力学研究38-51
• 4.1 快速起动的运动学描述38-42
• 4.1.1 S形起动的运动学模型39-41
• 4.1.2 C形起动的运动学模型41-42
• 4.2 非定常动力学计算42-45
• 4.2.1 体干和鱼鳍的推力计算42-44
• 4.2.2 鱼体单位截面的抗力44
• 4.2.3 附加惯性力的计算44-45
• 4.3 快速起动的动力学模型45
• 4.4 快速起动游动的仿真45-49
• 4.4.1 游动位移和速度仿真46-48
• 4.4.2 快速起动流场仿真48-49
• 4.5 本章小结49-51
• 5 仿生机器鱼三维建模及流场受力数值计算51-58
• 5.1 仿生机器鱼计算模型51-52
• 5.2 数值求解52-55
• 5.2.1 仿生机器鱼模型的网格划分52
• 5.2.2 鱼体模型在流场中的数值计算52-54
• 5.2.3 仿生机器鱼流场的其他特征54-55
• 5.3 阻力计算结果分析55-57
• 5.3.1 阻力成分分析55-56
• 5.3.2 不同航速下阻力计算结果56-57
• 5.4 本章小结57-58
• 6 结论及展望58-60
• 6.1 结论58
• 6.2 展望58-60
• 参考文献60-64
• 致谢64-65
• 个人简历65

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本文编号：401228