仿生尾鳍的流固耦合机理与水动力性能研究

In nature, with evolution and natural selection for hundred million years, fish has acquired an outstanding ability to swim. By flapping caudal fin, its way of propelling is efficient and low-noise. By imitating fish, most of bionic unmanned underwater vehicles (UUVs) are propelled by flapping caudal fins. But there is not much research on its propulsion mechanism at present, since most of them focus on the flapping wing and rigid caudal fins or on assumed modes flexible caudal fins. As a result, compared with fish in the natural world, the existing prototypes have disappointing swimming performance. So the research on the propulsion mechanism and performance of caudal fins and discussion on the efficient swimming methods of the bionic UUVs are not only theoretically significant but also practically valuable..Based on fish morphology and anatomy as well as computational fluid dynamics (CFD) theory, and combined with the observation experiments of flapping caudal fin as fish swimming, this project will build the numerical model of caudal fin and then set up a solution system for fluid-structure interaction by secondary development of CFD technique to study the hydrodynamic performance and propulsion mechanism of rigid caudal fins, of deformation law-given flexible caudal fins and of flexible ones deformed with hydrodynamic forces. The theoretical vortex of caudal fins received by the visualization technique of 3-D vortex structures and the existing vortex of alive caudal fins that got by 3-D particle image velocimetry (PIV) technique are compared with each other. This project will lay the theoretical groundwork for the development of the high-performance bionic UUV.

自然界中鱼类经过上亿年的进化与自然选择具有了高超的游动能力，其摆动尾鳍的推进方式具有高效低噪声等优点。模仿鱼类研制的仿鱼水下机器人也多采用摆动尾鳍推进，但目前国内外对尾鳍的推进机理研究相对较少，且多局限于拍动翼、刚性尾鳍或假定简单变形的柔性尾鳍，因而已有样机的游动性能与自然界鱼类相比差距较大。因此研究摆动尾鳍推进机理与性能，探讨利用摆动尾鳍实现仿鱼水下机器人高效快速游动的方法具有重要的理论意义与应用价值。.本项目拟基于鱼类形态学、解剖学及计算流体力学原理，结合活体鱼摆动尾鳍的观测实验，建立尾鳍计算模型；基于CFD技术进行二次开发建立摆动尾鳍的流固耦合问题求解系统，研究刚性、给定变形规律柔性及水动力作用下被动变形柔性尾鳍的水动力性能及推进机理，并比较分析利用三维涡结构显示技术获得的尾鳍数值模拟涡系与现有的利用三维PIV技术观测的活体鱼尾涡系，为研发高性能仿鱼水下机器人奠定理论基础。

采用摆动尾鳍推进的鱼类表现出了突出的游动能力，对于未来水下航行器的设计具有很好的启发意义。本课题以仿生推进系统为研究对象，借助理论分析、数值模拟、模型试验等手段，结合三维涡结构识别技术，详细分析了仿生推进系统不同环境流场与运动方式下的的水动力性能与推进机理。首先针对现有CFD模拟软件的不足，通过二次开发实现了从作用力性质与来源角度计算海洋结构物的环境载荷，为基于CFD软件的流固耦合分析奠定基础。之后从两方面研究了仿生摆动翼处于不同环境流场中时的水动力性能：一是分析了自由液面波浪运动的影响，研究发现当摆动翼运动频率等于波浪遭遇频率时，推力及效率达到最大值；小波长或大波高波浪有利于水翼推力的产生，翼波浪能利用效率在大波长或小波高下更高。尾涡分析表明，恰当的波翼相位差可增加水翼尾涡梯度、减小涡分布范围，从而增加翼推力及波浪能利用效率，而不当时则会使翼输入功率被周围波浪所吸收；二是以波浪驱动型水面无人艇（WUSV）为对象研究了串列布置摆动翼的性能，同时推导了其对环境波浪能利用效率的计算式。结果表明小波长或大波高环境中串列翼具有更高的输入功率与推力，流场分析显示大波长环境利于串列翼尾涡系更为充分的泄出、融合及脱落。另外决定WUSV波浪能利用效率的关键因素共有4个，包括推进器推力、航行速度、结构主尺度、波浪参数。WUSV航行于某一特定参数波浪环境中可获得相对较高的波浪能利用效率；总体来看，当前设计方案下，WUSV波浪能利用效率较低。最后探讨了斯特罗哈尔数与雷诺数对仿生摆动尾鳍性能的影响特点，分析发现尾鳍高St数下的摆动能够使鱼体瞬时获得高推力，但推进效率一般，适合鱼类的逃逸或捕猎等行为；而高Re数对应的湍流环境则更有利于尾鳍获得相对较高的推力及效率；此外，尾鳍尾流场分析显示涡环诱导的射流是尾鳍推力产生的主要原因，而Re与St则会分别影响单个涡环的尺度、耗散速度以及整个涡系的外形特征。