周期性扰动对鱼鳍波动推进性能影响数值研究

在鱼鳍的推进性能的研究中,鱼鳍波状运动产生推进力使鱼类具有很高的机动性,可以在复杂的水下环境中穿梭自如,可以实现精确的位置和姿态控制,且运动更具连续性和平稳性.针对上述问题,建立了鱼鳍摆动和波动的运动学方程,并借助于流体动力学软件比较分析了鱼鳍在没有前端扰动和加入前端扰动两种情况下的波动推进力和升力产生的机理,分析前后缘涡产生、脱泻、相互作用的过程,揭示前端周期性扰动对鱼鳍波动推进性能的影响及其规律.仿真结果显示:波动鳍对前端周期性扰动形成的尾迹反卡门涡街进行重新调制,可以从中获取能量用于提高自身波动推进性能.研究为研制高性能的多鱼鳍协调控制推进的仿鱼鳍推进器提供理论依据.     

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理．为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差．给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态．最后,通过实验验证了理论推导的正确性．     

基于人工肌肉的仿生机器鱼关节机构设计与力学分析

在深入分析活鱼解剖结构的基础上,设计了一种人工肌肉驱动的鱼关节结构,介绍了形状记忆合金(SMA)人工肌肉元件的设计方法．对鱼的尾鳍摆动进行了力学建模,并加以简化．基于摆动过程的力矩平衡方程,对SMA驱动力矩与阻力矩、流体阻尼力矩及机构（流体）惯性力矩进行了分析,建立了各个参数之间的定量关系式．通过数据验证了模型的可靠性,为仿生机器鱼的研究提供了参考依据．     

仿生机器鲫鱼的设计及运动学实验研究

为实现利用机器鱼进行自主水下生态环境监测、资源勘查和军事侦察等目标,选择了集高效性、高机动性和高稳定性于一体的鲫鱼作为仿生对象.基于鲫鱼形态、骨骼结构和运动学的研究基础,运用仿生学工程原理,开发了高性能的仿生机器鲫鱼模型.详细分析了仿生鲫鱼的设计原理,给出仿生鲫鱼的运动学方程,实验揭示了仿生鲫鱼频率、波幅、波长和相邻关...     

基于功能材料的柔性多关节水下仿鱼形推进器设计及分析

分析了当前的智能材料用于仿鱼类肌肉组织的可行性．设计了四关节柔性水下仿鱼形推进器,给出了控制流程图,建立了运动学方程．深入地分析了仿鱼形推进器存在的游动不稳现象及其产生原因,并给出几种提高稳定性的方案．分别测试了迎水面形状对称与否、有无附加鳍以及附加鳍位置对稳定性的影响．最后,通过比较实验证明了此方案对提高柔性多关节水下仿鱼形推进器的游动稳定性是可行的．     

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化．基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍．介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路．重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律．将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性．通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的．     

仿生鳍形状与运动模式对推进性能的影响

为探究仿生鳍形状与其运动模式间的内在关系,采用非耦合隐式求解器求解非定常不可压缩NAVIER-STOKES方程和连续性方程。分析相同运动学参数和面积时,菱形、正方形、长方形和三角形4种形状仿生鳍在波动和摆动2种运动模式下产生的推进力大小;从压力分布、涡街结构等方面给出差异存在的原因,并找出鳍面形状和推进模式之间的内在联系。结果显示:相同运动学参数和鳍面形状时,不同推进模式产生的推进力存在较大差异;同样,相同运动学参数和推进模式时,鳍面形状对推进力也有较大影响。该研究为仿鱼推进器选择合适的鳍面形状和匹配的推进模式以实现较优推进性能提供参考。     

鳍条运动模式对仿生波动鳍推进力影响的研究

仿生波动鳍的鳍条运动模式分为等幅和变幅两种类型,通过实验发现这2种鳍条运动模式下所产生的游动性能存在着较大的差异.为了揭示这种差异存在的内在缘由,建立基于鳍条这2种运动模式的仿生波动鳍运动学方程.利用计算流体动力学原理,比较不同运动学参数下2种运动模式鳍面压力分布情况,分别给出2种模式下波动鳍产生的无量纲阻力系数随时间的变化情况以及无量纲阻力系数时间平均值随频率、摆幅和波长的变化规律,给出鱼鳍模型中部沿鳍条方向切面的速度场和压力场.结果表明:2种模式下产生的推进力均随频率、摆幅和波长的增大而增加,但等幅摆动产生的推进力始终小于变幅摆动;2种模式下模型中部切面的速度场和压力场存在明显的差异,而尾迹二维涡量场结构和分布形态十分相似,说明影响2种模式游动效果的主要原因之一来自于沿鳍条方向的差异.结论进一步阐述了依赖鱼鳍波动推进的水生生物体高效游动的本质,也为研制高性能的仿鱼鳍波动推进装置提供了参考.     

仿生蓝点魟胸鳍在两种波动模式下推进力的比较

依靠鱼鳍波动推进的鱼类通常具备极强的游动稳定性和机动性能,在这些鱼类中,根据鱼鳍波状运动形成行波波幅包络线形式的不同,鱼鳍波动模式主要有摆幅从前往后逐渐增大和摆幅保持不变两种。设计出一种仿生蓝点魟胸鳍模型,通过试验研究模型在两种波动模式下频率、摆幅和波长等运动学参数对产生推进力大小的差异。测试结果显示,在两种波动模式下,推进力基本上随着波动频率、摆幅和波长的增大而增加;在相同运动学参数下,摆幅逐渐增大模式产生的推进力始终大于等摆幅模式;为进一步深入研究并揭示其中的缘由,随后建立仿生蓝点魟胸鳍的二维模型,利用有限体积法对建立的模型及计算域进行离散,基于流体动力学对两种波动模式下仿生鳍推进力进行计算,给出与试验条件相似的运动学参数下鱼鳍在两种波动模式下推进力大小随之变化情况的数值计算结果,绘制出压力分布等值线图和涡量场分布情况,并从涡动力学角度解释试验现象和揭示其原理及内在规律。该研究成果为仿生蓝点魟胸鳍选择合理的推进模式,高效、可靠地完成预定任务提供理论参考。     

仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究

仿生鱼鳍的波动运动有两种基本模式:振幅从前往后保持不变和振幅从前往后逐渐变化。通过比较仿生鱼鳍两种波动模式的特点,可以给利用仿生鱼鳍驱动的水下推进器选择合理的波动方式提供依据。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立两种波动模式的二维数学模型。比较分析了在相同的雷诺数及运动学参数(频率、波速和平均振幅)下两种波动模式形成的压力分布和平均推进力。给出了阻力系数随时间的变化规律。根据尾迹涡量场分布形式和涡量强度解释了两种波动模式之间存在差异的原因。从仿真结果可以看出:在相同的运动学参数下,振幅从前往后保持不变的鱼鳍波动模式产生更大的推进力,具有更高的游动稳定性。