尾鳍柔性变形对仿生机器鱼自主游动性能影响的研究

基于计算流体力学方法,数值模拟仿生机器鱼3自由度自主游动,比较刚性尾鳍和柔性变形尾鳍的推力、鱼体游动功率消耗和尾鳍前缘处的涡结构。计算结果表明,在相同运动参数下,柔性尾鳍能使机器鱼在加速阶段游得更快,而刚性尾鳍使机器鱼在巡游阶段游得更快;尾鳍柔性变形能降低巡游阶段机器鱼的侧向速度和首摇角速度的波动幅值,有利于航向稳定。游动速度对柔性尾鳍的推力有明显的负面影响,而对刚性尾鳍的推力影响不大。刚性尾鳍适用于机器鱼在较小的尾鳍侧向平移幅值下巡游,而柔性尾鳍适用于机器鱼在较大的侧向平移幅值下巡游。尾鳍的柔性变形会延迟前缘涡的产生和脱落,导致尾鳍在一个游动周期中的某个时间段形成阻力,不利于机器鱼高速巡游。     

柔性尾鳍仿金枪鱼水下机器人自主游动研究

文章数值模拟了柔性尾鳍的仿金枪鱼水下机器人从静止加速到稳定巡游的自主游动过程,分析了其运动过程中的运动和水动力性能特点及变化,并与刚性尾鳍模型进行了比较.同时详细分析了尾鳍的运动参数如频率,摆动幅度,横移振幅对仿金枪鱼自主游动过程的影响.结果表明,仿金枪鱼在启动加速时效率较低,柔性变形可以较大地提高仿金枪鱼的推进效率;尾鳍的运动参数对自主游动过程有很大的影响:在一定的范围内,增大尾鳍的运动频率、摆动幅度和横移振幅可以提高运动速度、推力和推进效率,但过大的摆幅会降低推进效率.     

仿金枪鱼水下机器人摆动-滑行游动数值研究

为探讨摆动-滑行方式的游动机理,本文基于RANS求解器和区域网格整体动态运动技术,建立了仿金枪鱼水下机器人摆动-滑行的自主游动计算模型,数值模拟其从某一速度自由加速到速度值稳定波动状态,分析了游动稳定时速度、水动力、尾涡等的变化特点,并比较了不同滑行时间的影响。计算结果表明:摆动滑行时间相同时,机器人的速度均值比正常游动下降了30%,但波动幅值为后者的3倍;水动力的大幅快速变化导致摆动阶段游动效率下降,但在滑行阶段利用了滑行惯性和尾流区的脱落涡吸收能量。随滑行比增大,游动速度均值下降,但速度功率比却逐渐上升。所计算工况下,滑行比不小于0.6时,摆动-滑行游动比正常游动更节省能量。