柔性长鳍扭波推进涡系空间结构特征与演化规律研究

In comparison against BCF(body／caudal fin) modes，as one of MPF modes(median／paired fin modes),the torsional wave propulsion by flexible long fin offers several advantages including good propulsive efficiency, great maneuverability, and low underwater acoustic noise at low speeds. As a result, it is a source of biologically inspiration for future propeller designs．Gymnarchus niloticus fish can swim and maneuver by torsional wave propulsion with the long flexible back-fin while keeping the main body as a line. It is worth investigating as a bionic propulsion technique for underwater vehicle. Fluid-solid interaction during torsional wave propulsion by flexible long fin is a complex multi-course intersection problem. At present the spatial vortex system cannot be displayed either by numerical simulation or by experimental measurements. The mechanics mechanism of torsional wave propulsion by flexible long fin is not very clear until now. So it is of academic value to investigate the vortex spatial structure and its evolution and discover its hydrodynamic mechanism. The project intends to measure the unsteady flow detailed structure by phase-locked DPIV, and the dynamic deformation of flexible fin surface by high-frequency stereoscopic imaging technique, the unsteady propulsion force and moment. The flow field numerical simulation on fluid-solid interaction for flexible long fin propulsion is to be broken through. Then the vortex spatial structure and its evolution are to be analyzed intensively, by combining with the vortex structure, pressure distribution on fin surface and unsteady propulsion force. Finally the hydrodynamics mechanism of torsional wave propulsion by the long flexible fin is to be revealed. The effect for material characters, geometry and movement parameters of long flexible fin on propulsion performance is also to be made clear. The research results will provide a good hydrodynamic foundation for innovative design and research of flexible undulating fin based propulsion.

"尼罗河魔鬼"刀鱼可在鱼体保持刚性下依靠长鳍的扭波实现高效推进与灵活机动,由此衍生的仿生推进技术在水下航行器中具有重要的应用前景。 柔性长鳍扭波推进中的流固耦合作用是复杂多学科交叉问题，无论是数值计算，还是试验测试都还没有给出清晰的涡系空间结构模型。目前，柔性长鳍扭波推进的机理尚不够清晰，相关研究尚处于探索阶段。因此，开展其涡系空间结构特征及其演化规律研究，揭示其水动力学机理，具有重要的学术意义。 本项目针对柔性长鳍扭波推进问题, 拟应用锁相DPIV 技术开展非定常流场精细结构测量、采用高频立体摄像测量柔性鳍面动态变形、同时测量推力等非定常力，突破计及流固耦合作用的CFD技术,深入分析涡系空间结构特征及时空演化，剖析涡系空间结构与鳍面压力分布、非定常力之间的关系，从微观角度与宏观角度相结合的途径，深刻揭示柔性长鳍扭波推进的水动力学机理与规律，为该仿生推进技术的发展与应用奠定水动力学基础。

在柔性长鳍扭波推进模式下，鱼体可以保持直线,主要依靠柔性长鳍的扭转行波实现推进, 而且可以通过控制波形、波频等要素改变推力的大小和方向，对流体扰动小并可产生矢量推力，在低航速下具有优异推进/操纵性能，在水下低速潜航器中具有重要应用前景。.长鳍扭波推进模式中沿着鳍条方向从根部到梢部鳍面各点周向速度线性变化，其空间涡系结构不同于一般鱼体波动推进。无论是数值计算，还是试验测试，都还没有给出清晰的长鳍扭波推进涡系空间结构模型，推进机理尚不够清晰。 .本项目针对柔性长鳍扭波推进问题, 研究建立非定常流场精细结构锁相PIV测量技术与分析方法、基于双CCD立体摄像的柔性鳍面动态变形测量技术，研制出17个舵机驱动的单元可独立控制的长鳍扭波推进器，并开展了推力/侧向力系列试验、流场涡结构及其随相位演化、柔性鳍面动态变形测量试验研究。基于弹性光顺模型和局部网格重构的动网格技术，建立了长鳍扭波推进水动力的RANS数值计算方法，最大摆角幅度可达到85°，并通过了水动力试验验证其正确性。基于动网格技术中的扩散光顺模型，采用全局结构化网格，建立了长鳍扭波推进流场LES数值计算方法和涡结构计算分析方法。采用Ansys软件探索研究了鳍面柔性被动变形流固耦合作用，分析了鳍面刚度对摆动鳍面水动力、鳍面变形和流场的影响。.本项目深入分析了柔性长鳍扭波推进涡系空间结构特征及时空演化，及其与鳍面压力分布、非定常力之间的关系，深刻揭示柔性长鳍扭波推进的水动力学机理，为长鳍扭波推进技术的发展与应用奠定水动力学基础。.本项目研究表明：长鳍扭波推进过程中流场空间中产生四种类型的涡结构，分别为流向涡、蟹状涡、环状涡和尾涡。流向涡主要与鳍面升沉力的产生有关，蟹状涡主要与鳍面推力的产生有关；环状涡主要存在于系泊状态下的流场中；尾涡主要是在有来流状态下，两束尾涡在尾流中的旋转方向相反，且伴随着明显的轴向射流。此外，还获得了长鳍扭波推进水动力性能与其几何、运动主参数的关系。