【摘要】：魚類等水生生物擁有的快速、高效和機(jī)動靈活游動能力,正是水下航行器不斷追求的目標(biāo)。近年來,仿生水下機(jī)器人成為了水下航行器領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向,研究認(rèn)識仿魚類游動背后的運(yùn)動和力學(xué)機(jī)理是其中的關(guān)鍵工作。當(dāng)前關(guān)于仿魚類游動的研究,一般是基于非自主游動模型和簡化的運(yùn)動變形方程,對機(jī)理的探究還不夠深入。本文以金槍魚游動模式為基礎(chǔ),采用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,研究了仿金槍魚水下機(jī)器人(簡稱機(jī)器魚)在多種運(yùn)動方式下的自主游動機(jī)理。首先,研究了水翼正弦和非正弦擺動的推進(jìn)性能。在確定擺角與斯特羅哈爾數(shù)、最大攻角的關(guān)系后,采用RANS(ReynoldaverageNavierStokes)求解器,單參數(shù)化地計(jì)算分析了高斯特羅哈爾數(shù)時(shí)水翼正弦擺動推進(jìn)性能的下降趨勢、流場變化及最大攻角的影響;在此基礎(chǔ)上,數(shù)值模擬了調(diào)整平移運(yùn)動方程的多種非正弦擺動。結(jié)果表明,非正弦擺動能大幅提升水翼高斯特羅哈爾數(shù)數(shù)時(shí)的推進(jìn)性能,擺動的不同調(diào)整形式主要影響了水翼推力的改善效果。其次,通過RANS求解器和對CFD軟件進(jìn)行二次開發(fā)編寫的流體-運(yùn)動相互作用程序,耦合求解了流體運(yùn)動方程和魚體運(yùn)動方程,采用彈性光順、網(wǎng)格重構(gòu)和網(wǎng)格整體運(yùn)動技術(shù)相結(jié)合的方法處理魚體運(yùn)動產(chǎn)生的大變形問題;在此基礎(chǔ)上建立了機(jī)器魚可以在縱向、橫向及艏向自主游動的數(shù)值計(jì)算模型。然后數(shù)值模擬了機(jī)器魚從靜止加速到巡游的過程,通過與直航試驗(yàn)對比,驗(yàn)證了自主游動模型的有效性;詳細(xì)分析了加速-巡游的水動力、流場結(jié)構(gòu)、縱向運(yùn)動的變化,及橫向、艏向運(yùn)動穩(wěn)定性。研究表明,平移幅度、搖擺幅度、運(yùn)動頻率對加速-巡游影響很大,合適的搖擺角度配合平移運(yùn)動可以大幅提升機(jī)器魚的游動速度和推進(jìn)效率。再次,在自主游動模型基礎(chǔ)上,結(jié)合擺動-滑行方式的運(yùn)動變形方程,數(shù)值計(jì)算了機(jī)器魚雙側(cè)擺尾模式和單側(cè)擺尾模式的擺動-滑行過程。結(jié)果表明,擺動-滑行游動由于快速擺動變形,擺動階段的推進(jìn)效率較低,但通過對滑行時(shí)慣性動能和尾流區(qū)漩渦能量吸收而提高了能量利用效率;滑行時(shí)間大于某臨界值時(shí),比常規(guī)巡游更節(jié)省能量,單側(cè)擺尾模式擺動-滑行的能量利用效率高于雙側(cè)擺尾模式;擺動-滑行游動時(shí)的水動力不對稱變化使橫向、艏向運(yùn)動也呈不對稱形式,但一個(gè)游動周期內(nèi)能保持穩(wěn)定。最后,結(jié)合起動和轉(zhuǎn)彎運(yùn)動的變形方程,數(shù)值計(jì)算了機(jī)器魚C形起動和轉(zhuǎn)彎的自主機(jī)動過程,詳細(xì)探討了運(yùn)動變形參數(shù)等對起動和轉(zhuǎn)彎的運(yùn)動軌跡、轉(zhuǎn)艏角度、運(yùn)動速度、水動力變化的影響。結(jié)果表明,后擺前期縱向力大幅脈動是起動運(yùn)動加速的主要推力來源,而轉(zhuǎn)彎運(yùn)動主要依靠前擺開始時(shí)快速變形提供主要的轉(zhuǎn)艏力矩;起動和轉(zhuǎn)彎變形完成后,橫向、艏向運(yùn)動并未能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),起動運(yùn)動的不穩(wěn)定性更大;起動運(yùn)動的運(yùn)動軌跡一般呈勾形,而轉(zhuǎn)彎運(yùn)動的運(yùn)動軌跡與轉(zhuǎn)艏角度的關(guān)系很大,在約為180°時(shí),轉(zhuǎn)彎的半徑最小;合適的運(yùn)動變形參數(shù)下,轉(zhuǎn)彎運(yùn)動可以在大幅轉(zhuǎn)艏的同時(shí),保持游動速度不下降。
【圖文】：

根據(jù)運(yùn)動的時(shí)間特征，魚類游動可簡單分為：周期性游動和瞬時(shí)游動［１５］。周期性動是利用重復(fù)性擺動變形來運(yùn)動，推進(jìn)運(yùn)動具有周期性，可稱之為時(shí)均定常游動。魚主要采用這種方式進(jìn)行勻速的遠(yuǎn)距離巡游。瞬時(shí)游動是利用特定的身體變形一次或幾來驅(qū)動魚體運(yùn)動，主要包括快速起動、轉(zhuǎn)彎。瞬時(shí)游動往往持續(xù)時(shí)間很短暫，，常用于食和逃逸等靈活的強(qiáng)機(jī)動性運(yùn)動。逡逑對魚類游動模式的分類，最基礎(chǔ)的是從外形和推進(jìn)所利用的身體部位來分。Ｂｒｅｄｅｒ最早將魚類游動簡單分為鰻灥模式（ａｎｇｕｉｌｌｉｆｏｒｍ）、

本文編號：2532199