本文對尾鰭波狀推進(jìn)在層流/湍流中的水動力特性、流場特性、尾渦結(jié)構(gòu)等問題進(jìn)行全面的研究,對三維平板的波狀運(yùn)動做了初步探究。主要的工作及相關(guān)結(jié)論如下:提出了一種自適應(yīng)貼體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格快速生成的動網(wǎng)格計算方案,解決了在復(fù)雜邊界柔性運(yùn)動的流場中使用高精度結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的應(yīng)用問題。該方法依據(jù)邊界運(yùn)動,逐時間步快速生成全流場新的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。有效避免了高計算負(fù)荷、網(wǎng)格交叉、多時間步網(wǎng)格質(zhì)量下降等問題。使用NACA0010翼型作為魚體模型模擬波狀游動。對其在層流/湍流條件下的研究發(fā)現(xiàn),在層流狀態(tài)下,魚體波狀推進(jìn)的推進(jìn)效率η_P為40%至60%。在湍流狀態(tài)下,波狀推進(jìn)的推進(jìn)效率η_P接近80%。在層流狀態(tài)下（Re<10⁴）魚體波狀運(yùn)動會導(dǎo)致魚體所受的摩擦阻力相較于剛體拖曳顯著提高,而湍流狀態(tài)時（Re>10⁶）,魚體的摩擦阻力開始低于剛體。且隨著雷諾數(shù)Re的增加,摩擦阻力下降的趨勢更加明顯。對湍流流場進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),尾流中的無論是湍動能或是湍流黏度比相對于剛體均出現(xiàn)了下降。隨雷諾數(shù)Re的增大,下降幅度逐漸增大,這... 

【文章來源】：上海交通大學(xué)上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：102 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

魚類身體結(jié)構(gòu)示意圖

圖 1-3 BCF 游動模式—(a)鰻鱺模式；(b)亞鲹科模式；(c)鲹科模式；(d)金槍魚模式[3]Fig.1-3 BCF modes(a) anguilliform; (b) subcarangiform; (c) carangiform; (d) thunniform[3]對于鰻鱺模式，整個魚體都進(jìn)行彎曲波動且波幅較大。通常魚體會呈現(xiàn)為至少一個完整的波形。亞鲹科模式和鲹科模式有著相似的形態(tài)和機(jī)理，但兩種模式進(jìn)行波動的身體長度百分比不同。對于亞鲹科模式，約一半的身體會進(jìn)行波動，而對于鲹科模式，只有約身體的后 1/3 才進(jìn)行波動。金槍魚模式通常是快速游動魚游生物采用的游動方式，因此也被認(rèn)為是快速游動魚類進(jìn)化的杰出代表。與前面幾種模式不同的是，約 90%的推力都來自于尾鰭。這樣的游動模式使得如金槍魚、鯊魚等海洋生物能夠長時間保持很高的巡游速度。1.3 魚類游動的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展魚游生物長久以來就是仿生學(xué)研究中的重點研究對象之一，其研究包括了材料、傳感器、生物力學(xué)等多方面的內(nèi)容。其中類魚游動的流體力學(xué)特性是重要組成部分。類魚游動的流體力學(xué)問題研究對象是做波狀游動的可變性柔性體，非線性、非定常特征格外明顯。類魚游動的流體力學(xué)研究的先驅(qū)者是英國動物學(xué)家

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文格下求解高黏度流的 NS 方程來研究蠕動推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)蠕動的有效推進(jìn)運(yùn)動依賴于雷諾數(shù)。Nakaoka 和 Toda[13]采用動網(wǎng)格求解 NS 方程模擬 NACA0010 類魚游動時的流場，結(jié)果顯示類魚運(yùn)動是得到推力的有效方式，三種運(yùn)動模型被相互比較并導(dǎo)出產(chǎn)生大的平均推力的辦法。Doi 和 Yhomatsu[14]數(shù)值研究了高黏性流體中波狀擺動板周圍的非定常黏性流場，討論了波狀擺動板在高黏性流中產(chǎn)生推力的能力，以及推力和推進(jìn)效率對波數(shù)和相速度的依賴性。近年來，關(guān)于魚游水動力特性的相關(guān)研究也取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展。Gazzola[15]等研究了極大范圍內(nèi)的生物游動特征，重點考察了不同動物在不同的流體環(huán)境內(nèi)的尺度效應(yīng)。他們提出一個新的參數(shù)，并稱之為游動系數(shù)（Swimming number, Sw）。通過對實際生物數(shù)據(jù)的采集統(tǒng)計和相關(guān)數(shù)值模擬的計算，研究得出對于自然界中的游動物體，從蠕蟲、幼魚苗到哺乳動物、到各種魚類，他們的游動系數(shù) Sw 與他們游動環(huán)境的 Re 的聯(lián)系均落在了指數(shù)律上。在層流中，雷諾數(shù) Re 正比于游動系數(shù)的 4/3 次方；在湍流中，雷諾數(shù) Re 正比于 Sw。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]自主航行模式下二維擺動尾鰭的推進(jìn)性能研究[J]. 王志東,叢文超,張淋,李力軍.  江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2010(06)
[2]長背鰭扭波推進(jìn)活魚實驗研究[J]. 蔣小勤,杜德鋒,彭鈞.  海軍工程大學(xué)學(xué)報. 2010(03)
[3]仿鲹科機(jī)器魚的倒退游動控制[J]. 周超,曹志強(qiáng),王碩,董翔,譚民.  自動化學(xué)報. 2008(08)
[4]三維擺動尾鰭的數(shù)值模擬[J]. 張曉慶,王志東,周林慧.  江蘇科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版). 2006(01)
[5]水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展II—小型實驗機(jī)器魚的研制[J]. 梁建宏,王田苗,魏洪興,陶偉.  機(jī)器人. 2002(03)
[6]描述魚類波狀游動的流體力學(xué)模型及其應(yīng)用[J]. 童秉綱,莊禮賢.  自然雜志. 1998(01)
[7]魚類波狀擺動推進(jìn)的流體力學(xué)研究[J]. 童秉綱,莊禮賢,程健宇.  力學(xué)與實踐. 1991(03)

碩士論文
[1]柔性長鰭扭波推進(jìn)空間渦結(jié)構(gòu)研究與推進(jìn)機(jī)理分析[D]. 白亞強(qiáng).中國艦船研究院 2016
[2]任意運(yùn)動變形邊界流場測量PIV算法的研究[D]. 曹洪才.上海交通大學(xué) 2014
[3]基于DPIV技術(shù)的擺動尾鰭流場特性研究[D]. 老軼佳.江蘇科技大學(xué) 2009



本文編號：3331852