基于软体驱动的蝠鲼扑翼运动数值模拟分析

介绍一种以蝠鲼为原型,采用软体驱动的水下扑翼结构机器鱼,在该机器鱼上布置多个驱动单元,实现灵活的仿生运动。对软体驱动器不同结构参数进行仿真对比,得出最优结构并获得运动学模型;结合动网格技术,在仿真环境下获得翼型在二维平面内大变形运动的升力特性,并分析不同驱动器在驱动频率影响下的运动特性。仿真计算结果表明：采用半圆形截面、径厚比为0.8～1.4的驱动器结构可在较低的气压下产生大范围的弯曲运动,且具有较小的径向膨胀变形,基本上不影响运动结构的水动力特性;通过调整不同位置驱动器的充气间隔频率,可使胸鳍前后缘结构具有不同的偏转角度,从而获得较好的升力特性,对应0.5 Hz下的胸鳍结构在不同工况下具有较好的升力表现;调整驱动频率对应扑翼运动频率,使胸鳍产生周期性的推力变化,伴随驱动频率提高,幅值变化增大。     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

机器鳕鱼胸鳍/尾鳍协同推进直线游动动力学建模与实验研究

设计了一种二自由度胸鳍/尾鳍协同推进的仿生机器鳕鱼,其胸鳍推进机构不仅能够单独实现前后拍翼运动、摇翼运动以及两者的复合运动,而且还可与尾鳍实现协同推进,进而分别建立了胸鳍单独推进、胸鳍/尾鳍协同推进时的水动力学模型。数值仿真及实验结果均表明,胸鳍复合运动与尾鳍协同推进时,仿生机器鱼游速最快,可达0.30 m/s,胸鳍摇翼运动推进时游速最低,仅为0.05 m/s,其他推进方式的游速介于二者之间,但均能够实现稳定的游动。与现有结果相比,所设计仿生机器鱼直线游动模态多样,稳定游速可选范围较宽,机动性较好。     

鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究

为了分析仿生机器鱼的推进模式并预测水下推进性能,对其水动力特性开展研究。基于鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼和波动推进理论,研究入流速度和波动频率对自推进性能的影响。对胸鳍在不同攻角下的升阻比进行数值计算,最佳攻角为20°。通过研究掌握了影响运动性能的主要因素,确定了计算自推进速度的数值方法,改进了机器鱼波动推进模型。研究结果显示,尾部波动频率是最关键参数,对仿生机器鱼的推力和启动响应速度有直接影响。     

展向刚度对拍动式仿生胸鳍水动力性能影响的实验研究

[目的]旨在研究拍动式胸鳍沿翼展方向结构设计刚度对其水动力性能的影响。[方法]提出一种柔性仿生胸鳍的非均匀展向刚度设计方法。通过搭建的胸鳍水动力性能实验平台,测试0.3～1.0 Hz驱动频率下不同展向刚度仿生胸鳍拍动时产生的平均推进力与平均侧向力,并结合高速摄像机采集的胸鳍运动图像序列,分析仿生胸鳍展向变形对其产生推进力的影响。[结果]实验结果表明,在测试的拍动频率范围内,柔性仿生胸鳍产生的平均推进力及平均侧向力均与鳍条的展向刚度大小及分布情况相关。通过优化机器鱼样机（XJmanta）柔性仿生胸鳍的展向刚度可使其最大游动速度提升约45%。[结论]研究成果可用于指导拍动式柔性仿生胸鳍的设计,优化胸鳍输出水动力性能,提升仿生机器鱼本体游动时的机动性。     

仿生机器鱼胸尾鳍协同推进的水动力学分析

利用CFD技术对仿箱鲀科胸尾鳍协同推进机器鱼的水动力学特性进行分析,将整个机器鱼放入流场,对其胸鳍推进模式、尾鳍推进模式和胸尾鳍协同推进模式的水动力学特性进行对比,得出不同模式下机器鱼水动力学的变化规律。分析得出,在压力变化云图中,胸尾鳍协同推进产生的压力变化最为复杂;在速度涡量变化图中,胸尾鳍协同推进产生最为复杂的涡量变化,胸鳍运动产生的涡会逐渐脱落向后移动,与尾鳍产生的涡互相作用,增加尾鳍的推力,从而证明胸尾鳍协同推进模式是一种高效的推进机制。     

水下仿生柔性胸鳍摆动水动力特性试验研究

为了掌握仿生柔性胸鳍动态摆动过程真实的水动力特性,研制了仿生多鳍条的柔性胸鳍模型及驱动控制系统,首次采用拖曳水池测力试验的方法对仿生柔性胸鳍摆动过程受力进行了测试,获得了柔性胸鳍在不同运动参数的受力数据,掌握了频率、摆幅、相位差等对仿生胸鳍模型受力的影响规律.试验结果表明:胸鳍摆动频率越大、摆幅越大,胸鳍产生的推力、侧向力和转动力矩越大;胸鳍鳍条间的相位差越小,胸鳍产生的推力、侧向力和转动力矩越大;柔性胸鳍不规则形变导致推力峰值不对称.     

考虑底壁面效应影响的三维扑翼推进特性研究

本文采用重叠网格技术对考虑底壁面效应影响下的三维拍动翼的推进特性进行了数值模拟研究,计算时选取的特征雷诺数为1.0×104.数值模拟结果表明:底壁面的存在对拍动翼的水动力特性以及周围的流场结构都产生了很大影响;与无界流场相比,当拍动翼运动至底壁面附近时,将会产生明显的推力增大(高斯特哈尔数)现象,并且伴随着升力急剧增大;此外,由于拍动翼与壁面之间的相互作用,拍动翼周围的涡环变成了半月牙形.本文研究成果可为今后仿生扑翼的样机研制提供技术依据和参考.     

考虑底壁面效应影响的三维扑翼推进特性研究（英文）

本文采用重叠网格技术对考虑底壁面效应影响下的三维拍动翼的推进特性进行了数值模拟研究,计算时选取的特征雷诺数为1.0×104。数值模拟结果表明:底壁面的存在对拍动翼的水动力特性以及周围的流场结构都产生了很大影响;与无界流场相比,当拍动翼运动至底壁面附近时,将会产生明显的推力增大(高斯特哈尔数)现象,并且伴随着升力急剧增大;此外,由于拍动翼与壁面之间的相互作用,拍动翼周围的涡环变成了半月牙形。本文研究成果可为今后仿生扑翼的样机研制提供技术依据和参考。     

一种柔性胸鳍仿生鱼的初步设计和开发

设计开发一种以胸鳍作为动力推进系统的仿生机器鱼.该仿生鱼具有效率高、机动性好、噪音低,对环境扰动小的优点,并能利用柔性胸鳍摆动方式实现推进及水平面内的机动运动.所设计的仿生机器鱼具有一定的工程应用价值.     

胸鳍/尾鳍协同推进的机器海豚动力学建模与仿真

动力学模型是机器海豚研究的一个重点和难点.基于胸鳍/尾鳍协同推进模式,采用"叶片单元法"建立2自由度胸鳍动力学模型,根据伯努利原理和大展弦比机翼平衡理论提出尾鳍动力学模型.通过MATLAB进行数值仿真,获取胸鳍、尾鳍的运动规律和不同模式下的游动速度;进一步分析机器海豚的游动模式和运动参数对直游性能的影响,为机器海豚的设计提供理论依据.该研究有助于进一步认识和研究海豚的运动机理,从而提高机器海豚的游动性能.     

基于CFD和试验的襟翼帆设计研究

对远洋船舶利用风能的特点进行了分析,设计了一种带有缝翼和襟翼形式的襟翼帆,来提高船舶风帆的升力。首先,对该襟翼帆模型的大量参数进行仿真优化,得出了不同参数对模型空气动力学特性的影响规律,并确定了该模型较为理想的参数值,仿真条件下该模型的最大升力系数在2.75左右;然后,对缩小后的模型进行风洞试验,该模型试验的空气动力学特性与仿真吻合较好,最大升力系数在2.52左右(在允许误差范围之内);最后,给出了在海况条件下该模型的相关仿真和实验控制特性曲线图,两者基本吻合,进一步证明了设计的准确性。     

二维振荡翼型俯仰和升沉耦合运动的水动力性能分析

为了分析二维翼型在非定常状态下俯仰和升沉耦合运动的水动力性能,本文基于RANS方法,运用重叠网格技术,以NACA 0020翼型为研究对象,分析了翼型耦合运动与单一运动的区别以及不同振荡频率对翼型耦合运动时升力、阻力和涡流的影响。结果表明:二维翼型做耦合运动时,振荡频率越小,俯仰运动效应大于升沉运动效应,振荡频率越大,升沉运动效应加强;翼型的振荡频率越大,翼面上涡的分离越迟,翼型发生失速的时间越晚;脱落涡的范围越广,翼型的升力系数和阻力系数越大。     

翼切面修改后流体动力性能的改变

称一已知流体动力性能的任意形状翼切面为母型翼,对它进行几何修改后称为设计翼。本文基于保角变换原理,提出了从母型翼在不可压缩粘性流动中的流体动力特性(包括压力分布及升力曲线)计算设计翼在相同条件下的特性的方法。原则上本法也可用来计算对母型翼进行流体动力修正后所对应的设计翼形状。计算结果与实验数据符合较好。     

考虑壁面效应的摆动翼推进特性数值模拟

采用重叠网格技术对考虑壁面效应的摆动翼的推进特性进行数值模拟。系统地分析壁面距离、摆动运动幅值和无量纲频率f*对摆动翼推进特性的影响,并将其与自由流场中的摆动翼推进结果相对比。研究结果表明,摆动翼的推力随着壁面距离的减小呈现出逐渐增大的趋势,且存在最佳壁面距离对应最大推进效率。此外,对不同壁面距离下摆动翼后方的涡流场结构进行分析,从流动机理的角度对数值模拟结果进行解释。     

零航速下的船用多功能翼水动力分析

为了研究船用多功能翼在零航速下水动力特性和展弦比效应,采用计算流体力学(CFD)软件和动网格技术对其进行三维水动力仿真。船用多功能翼根据荷兰Rotor Swing公司推出的可伸缩尾翼稳定器产品WING Stabilizer建立的几何模型,分析其在不同展弦比、攻角和摆动周期下的升/阻力特性。仿真结果表明,对于翼面积为0.5 m²的船用多功能翼,在3～5内选择其展弦比,能在提高升力的同时,产生较小的阻力。因此可以认为多功能翼与常规减摇鳍对不同,过大的展弦比会降低鳍的升阻比。     

新型两关节机器鱼的研制及实验研究

以鲹科加新月形尾鳍推进模式鱼类的仿生学研究成果为基础,采用模块化设计思想,设计了新型两关节仿生机器鱼"HRF-Ⅱ",其尾部模块采用单电机驱动,易于实现尾部运动参数的调整;其升潜模块采用吸排水实现机器鱼升潜.对仿生机器鱼直线推进、转向、升潜和逆向游动的动作进行了水下实验.实验结果表明"HRF-Ⅱ"具备良好的推进特性和升潜特性,并且实现了逆向游动.     

翼型风帆的气动力学分析研究

在NACA0006翼型和圆弧型风帆的基础上,针对船用助航风帆的特点设计出一种新型翼型风帆,并采用标准κ-ε模型,利用FLUENT软件对翼型在8个不同风向角下的空气动力特性进行了数值模拟计算,获得翼型风帆在8种不同风向角下的升力系数和阻力系数,并对计算风帆模型进行风洞试验,风洞试验得到的升力系数和阻力系数结果与模拟计算结果有较好的吻合,通过试验结果对比证明其升力系数比常规的矩形圆弧风帆有很大提高.     

某型地效翼船翼型选择分析

地效翼船(WIG)是一种融合了航空技术与船舶技术的新型高性能船舶,而机翼是产生地面效应和提供升力的主要部件,翼型的优劣直接影响地效翼船的飞行性能.根据某型地效翼船的气动布局特点建立分析模型,采用面元法对2种翼型的气动特性进行计算.对比2种翼型的特性曲线,结果表明,在同一条件下,2#翼型具有更大的升力,地效翼船的起降性能更优越,因此该型地效翼船的机翼更适合采用2#翼型.     

基于板壳模型的减摇鳍鳍翼水力负荷结构分析

为了提高减摇鳍仿真模拟工作的效率和仿真模拟的精确度,基于ANSYS软件中的Workbench-component systems建立鳍翼的板壳模型,采用FLUENT软件与ANSYS软件相结合的方式对减摇鳍进行流固分析。利用FLUENT软件对某型减摇鳍鳍翼进行水动力分析,获得鳍翼在流场中的升力和阻力;将鳍翼受到的升力和阻力分别施加到基于实体单元和板壳单元的鳍翼结构有限元模型上,进行鳍翼结构响应分析。结果表明:与实体模型相比,基于板壳模型的鳍翼结构有限元分析建模工作量小、计算耗时少、数值模拟计算精度高。对于鳍翼而言,在结构上和力学性能上更适合用板壳模型进行有限元分析。