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仿鲹科机器鱼推进性能实验研究

作　者: 吴文广
导　师: 杨杰
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 仿生鲹科模式水下推进器 Fluent仿真一维稳态推进推进速度推进力推进效率
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

鱼类在水中的推进能力远优于现时的人工机械推进机构,鱼类推进机理研究和仿鱼推进器的研制一直以来都是研究的热点。本文以鲹科模式鱼类作为研究对象,主要围绕仿生机器鱼运动学建模与结构设计、CFD仿真分析和推进性能实验研究三个方面展开,做了初步的探索性工作,研究的主要内容和成果有:(1)在对鲹科模式鱼类一维稳态游动进行仿生学研究的基础上,建立了仿生机器鱼的运动学模型,研制了基于仿生对象形态结构和运动形式的四关节仿生机器鱼;(2)建立仿生机器鱼的简化模型,应用Fluent软件对仿生机器鱼的波动过程进行了仿真,定性分析了流场信息和尾迹涡街的形成耗散过程;(3)设计了实验测量平台,对仿生机器鱼一维稳态推进进行了实验研究,分析了机器鱼各个运动学参数对机器鱼推进速度和推进力的影响情况;(4)对机器鱼一维稳态推进的推进效率进行了估算,分析了机器鱼各运动学参数对机器鱼推进效率的影响情况。论文的研究工作和结论对进一步开展鱼类推进机理研究和仿鱼推进器的研制,提供了重要的参考依据。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-17
  1.1 鱼类波动游动研究概况  9-12
    1.1.1 鱼类波动游动研究背景  9-10
    1.1.2 鱼类波动推进理论  10-11
    1.1.3 活鱼测量实验与仿真研究  11-12
  1.2 仿生机器鱼的研究现状  12-15
    1.2.1 仿生机器鱼的制作  12-14
    1.2.2 仿生机器鱼的实验研究  14-15
    1.2.3 仿生机器鱼的应用前景  15
  1.3 本论文的研究目标与研究意义  15-16
  1.4 本论文的研究内容与结构  16-17
第二章仿生机器鱼的系统设计  17-29
  2.1 鲹科加月牙尾鳍模式鱼类的仿生学研究基础  17-18
    a) 鱼体的外部形态  17
    b) 鱼体的运动  17-18
  2.2 仿生机器鱼运动控制  18-21
    2.2.1 运动控制方程  18-20
    2.2.2 控制方程的离散化  20-21
  2.3 仿生机器鱼的机械结构设计  21-24
    2.3.1 机器鱼摆动鱼体关节比例确定  21-22
    2.3.2 机器鱼摆动鱼体关节与尾鳍  22-23
    2.3.3 机器鱼重心调节机构  23
    2.3.4 机器鱼鱼头部分  23-24
    2.3.5 机器鱼的鱼体密封  24
  2.4 仿生机器鱼的控制电路设计  24-29
    2.4.1 舵机控制原理与DSP 选择  25-26
    2.4.2 DSP 外围电路  26-27
    2.4.3 重心调节机构直流电机控制电路  27
    2.4.4 红外检测与无线通讯模块  27-28
    2.4.5 电源模块  28-29
第三章仿生机器鱼波动推进的仿真研究  29-37
  3.1 计算流体力学的基本概念  29-31
    3.1.1 流体的基本性质  29-30
    3.1.2 基本控制方程  30
    3.1.3 初始条件和边界条件  30-31
    3.1.4 CFD 模型数值求解方法  31
  3.2 FLUENT 软件简介  31-32
  3.3 仿真过程与结果分析  32-37
    3.3.1 初始条件设置  32-33
    3.3.2 仿真结果分析  33-37
第四章仿生机器鱼波动推进的实验研究  37-61
  4.1 引言  37
  4.2 实验方法  37-46
    4.2.1 待考察的机器鱼运动学参数  37-38
    4.2.2 推进效率计算公式  38-43
    4.2.3 推进效率测量平台的系统设计  43-46
  4.3 推进速度测量  46-51
    4.3.1 推进速度与摆动频率的关系  47-48
    4.3.2 推进速度与最大摆动幅度的关系  48-49
    4.3.3 推进速度与行波波长的关系  49
    4.3.4 推进速度与相位差角的关系  49-50
    4.3.5 推进速度与摆动频率的关系  50-51
    4.3.6 推进速度实验结果总结分析  51
  4.4 推进力测量  51-55
    4.4.1 推进力与频率的关系  51-52
    4.4.2 推进力与最大摆幅的关系  52-53
    4.4.3 推进力与行波波长的关系  53
    4.4.4 推进力与摆动平动相位差角的关系  53-54
    4.4.5 推进力与摆幅包络线的关系  54-55
    4.4.6 推进力实验结果总结分析  55
  4.5 基于大摆幅细长体理论的推进效率估算  55-60
    4.5.1 推进效率与摆动频率的关系  56
    4.5.2 推进效率与最大摆动幅度的关系  56-57
    4.5.3 推进效率与行波波长的关系  57-58
    4.5.4 推进效率与相位差角的关系  58
    4.5.5 推进效率与摆幅包络线的关系  58-59
    4.5.6 推进效率估算结果分析  59-60
  4.6 基于力矩测量的推进效率估算  60-61
第五章总结与展望  61-63
参考文献  63-66
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果  66

仿鲹科机器鱼推进性能实验研究

内容摘要

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