月牙尾推进模式水动力学特性的数值模拟研究

鱼类所特有的高效率低能耗的游弋方式是目前水下航行器所不具备的，揭示鱼类运动的规律，进而制造出最优仿生运输工具和水下仿生机器人，在民用和军事上有着广阔的应用前景。本项目采用基于浸没边界方法和自适应网格投影法相结合的数值模拟方法,研究月牙尾推进模式的水动力学特性。首先，在对比分析侧移和旋转对模拟结果影响的基础上，确定一种既合理而又相对简单的鱼游数学模型。然后，分别模拟具有对称型和非对称型尾鳍的三维仿生鱼的自主游动，研究尾鳍形状对三维仿生鱼自主推进效率、推力等水动力学特性的影响，了解不同形状尾鳍所诱导出的尾涡结构及演化规律的区别，进一步加深对鱼类推力产生机制的理解。最后，仅以月牙形尾鳍为模拟对象，分别研究单个、两个和三个尾鳍所组成系统的推进性能，比较月牙形尾鳍和二维翼型在推进性能和尾涡结构等方面的区别，并确定多尾鳍推进系统中尾鳍的最佳排列方式，为非定常推进器的研制提供理论基础。

鱼类所特有的高效率低能耗的游弋方式是目前水下航行器所不具备的，月牙尾推进模式被认为是鱼类进化的最高峰，揭示鱼类运动的规律，在民用和军事上有着广阔的应用前景。本项目完成的主要工作和成果如下：.（1）建立了非对称月牙形尾鳍的数学模型；.（2）通过对比自由度对鱼类自主游动数值模拟结果的影响，认为“一自由度模型”比较适用于模拟仿生鱼的自主游动，但模拟得到的侧向力幅值和推进效率都有所高估；.（3）通过对多翼型推进系统水动力学特性的模拟发现，双翼型串列时可以在推进效率保持不变的情况下使平均推力增大38%，而并列时则会导致推力和推进效率的大幅下降；.（4）通过模拟对称型和非对称型月牙尾的俯仰振荡运动发现，相同St数下二者的推进效率几乎一致，但非对称型尾鳍的推力系数几乎是对称型的3倍。因此，非对称型尾鳍可以为鱼类捕猎或逃逸提供强大的瞬时加速度，而对称型尾鳍则适用于长途巡游。这或许就是鲨鱼进化出非对称型尾鳍而金枪鱼进化出对称型尾鳍的原因；.（5）提出了一种基于摆频控制的仿生鱼自由游动数值模拟新方法，并利用该方法研究了二维仿生鱼尾迹中射流的分布特征，结果发现：雷诺数越小，无量纲射流速度的峰值越大，位置越靠近鱼尾；雷诺数越大，射流区越长；射流速度的大小随着与鱼尾的距离增大而减小，当距离足够长是水平速度反而会小于来流速度；.（6）通过模拟串列仿生鱼的自主游动发现，上游鱼的阻力和能耗都会减小，二者之间距离越小减小幅度越大；虽然下游鱼的阻力在间距较小时会增大，但能耗却会减少，当距离合适时，下游鱼的阻力也会小于单条鱼的阻力；.（7）通过模拟并列仿生鱼的自主游动发现，并列游动时的水动力学特性方面整体上是弊大于利，因此鱼群在游动过程中，侧向间距不能太小，至少应保持在0.5个身长以上。.本项目的研究加深了对月牙尾推进模式和鱼群自主游动水动力学特性的认识，但对三维仿生鱼和大规模鱼群水动力学特性的认识仍有待加强。