仿金枪鱼摆动尾鳍的水动力性能与推进机理研究

【摘要】：金枪鱼、海豚、鲨鱼等水中生物游动时具有高效、高速、低噪声等特点,将它们游动时所采用的推进方式应用到水下航行器中的研究工作,对于提高水下航行器的运动、隐身性能有着十分重要的意义。因此,本文以探寻尾鳍摆动时产生的尾涡结构特点为目的,采用计算流体力学的方法,研究了仿金枪鱼摆动尾鳍的水动力性能与推进机理。 论文中,首先计算了二维、三维水翼的定常水动力性能,探讨了网格结构、计算参数等对水翼的流体动力性能计算结果的影响,并进行了对应的流场结构显示。然后进行了二维刚性、柔性摆动水翼水动力性能的数值计算和推进机理研究,从中发现摆动水翼的尾涡系的演变过程与摆动水翼所产生的水动力脉动之间的关系。 其次,数值计算了金枪鱼的月牙形尾鳍水动力性能,研究了尾鳍摆动时的尾涡结构形式和推进机理,并分析了仿鱼尾鳍推进系统实验装置的水动力性能。文中将尾鳍的运动处理为在横移和摆动的耦合运动的同时,以某一匀速前进。计算中采用了将计算域分为流动的核心区域与非核心区域的网格划分方法,确定了尾鳍尾流场核心区域的网格尺寸应是尾鳍特征弦长的1/20-1/30；在动边界的处理上运用了以“弹簧变形”为主的动网格技术,并在并行计算柔性尾鳍水动力性能时,采取了两种方法消除分区造成的表面网格点的错误运动。同时采用基于雷诺时均纳维尔-斯托克斯方程的粘性流求解方法,找到了刚性与柔性尾鳍一个运动周期内水动力脉动与尾涡脱落之间的对应关系,分析了前进速度、横移与摆动幅度、频率以及柔性变形幅度对推进性能的影响,并比较了随着摆动频率的变化,相同输入功率系数下刚性与柔性尾鳍水动力性能的不同之处。 最后,以哈尔滨工程大学的仿生水下航行器“仿生-I”为对象,以实验观测鱼类游动特点为参考依据,建立了仿金枪鱼水下航行器的计算模型。同时,计算了仿金枪鱼水下航行器匀速直线游动时的水动力性能,比较了摆动尾鳍在有躯体影响与无躯体影响下的输入、输出功率系数和推进效率。数值模拟了鱼体表面压力分布、周围流场结构和对应的尾流变化；以及躯干的扭曲与尾鳍的摆动产生的尾涡相互作用对水动力性能的影响。 本论文的研究表明,采用计算流体力学的方法对仿金枪鱼游动推进机理研究与水动力性能分析,是切实可行的。但鱼类的推进和操纵方式有自己的独特之处,需要进一步更深入的研究。