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仿生鱼游动与运动控制的数值分析技术

作　者: 徐晓锋
导　师: 万德成
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 仿生鱼波动运动 N-S方程数值模拟自主游动运动控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 167次
引　用: 1次
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内容摘要

随着陆地资源的日益枯竭,人类不得不将目光转向其它地方。而占地球总面积高达71%的海洋不仅蕴藏了巨大的能源与矿藏,而且相比于向其它星球要资源,向海洋要资源更为实际,也更为有效。目前的人造航潜器和水下机器人等以常规推进方式驱动的水下运动装置存在起动、加速和机动性能差以及隐蔽性能差等缺点。而鱼类在水中穿梭自如的运动,一方面巧妙地利用了流体力学原理,从而获得了惊人的巡游性能和机动性能。另一方面,鱼类还能利用一切可以利用的水流中的能量,如波浪、涡流等,来提高推进效率。所以,鱼类对进行人造航潜器和水下机器人的研究具有广泛的借鉴和指导意义。正是出于这样的目的,本文通过运用人工伪压缩方法求解了三维不可压缩非定常N-S方程,探讨了金枪鱼和鲤鱼自主游动的问题,建立了金枪鱼以及鲤鱼自主游动数据库,并研究了仿生鱼游动运动控制的问题。本文的主要工作以及数值模拟的结论主要有以下几个方面:首先,在已有的基础上,成功发展了鱼体网格生成程序,通过此程序,在得到鱼体外形的条件下,可以生成任意流线型外形的鱼体网格。其次,通过对鲤鱼以及金枪鱼自主游动进行模拟,以及调整影响其运动的控制参数(频率、摆幅、波长、雷诺数等),形成了鲤鱼和金枪鱼的数据库。通过整理分析对比仿生鱼前游速度以及受力,可以发现以下几点特征:(1)摆幅对于速度的影响是明显的,当摆幅增加时,速度也按照相同的量级增加;对于受力的而言,当摆幅增加时,其对推力的影响是有限的,而压差阻力和摩擦力则也按照相同的量级增长。(2)频率对于速度的影响是显著的,并且相较与摆幅而言,更为突出;频率对于受力的影响也是显著的,并且这三个力都是同等程度增加的。(3)波长对于速度的影响是多样性的,波长增大对于速度几乎没有影响,其影响主要体现在“延时(滞后)效应”上,并且波长对于速度的影响与其它参数是耦合在一起的;对于受力而言,波长的影响也是多样性的,与对速度的效果相反,对受力的影响主要体现在“提前效应”上,并且波长对于受力的影响也是与其它参数耦合在一起的。(4)雷诺数对于速度的影响是积极的,雷诺数增大,速度也相应地增大,但是增加的幅度逐渐减小;对于受力的影响是各不相同的,雷诺数增大,其推力也相应地增大,幅度逐渐减小,而压差阻力和摩擦力则是逐渐减小的,并且减小幅度显著,特别是摩擦力。最后提出了结合嵌套网格引入偏转角来实现仿生鱼运动轨迹的控制,主要探讨了很有代表性的O型以及S型轨迹的控制,并且揭示影响其运动轨迹的因素。通过计算,发现可以调整摆动频率以及摆幅来改变其运动轨迹;也可以通过调整偏转角来增大或者减小运动轨迹覆盖范围。同时通过研究生成的涡,发现涡环的形成和改变是使仿生鱼向前游动或者转弯运动的根本原因。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章绪论  10-29
  1.1 引言  10-11
  1.2 仿生机器鱼的研究概况  11-22
  1.3 鱼类游动研究的意义  22-24
  1.4 计算流体力学(CFD)简介  24-28
  1.5 论文主要研究内容  28-29
第二章数值算法与网格生成  29-49
  2.1 控制方程  29-30
  2.2 方程的离散  30-33
  2.3 初始和边界条件  33-34
  2.4 网格的生成和动边界处理方法  34-44
  2.5 流体动力性能的计算  44-45
  2.6 程序验证  45-46
  2.7 网格和时间步收敛性验证  46-49
第三章三维鱼体自主游动数值模拟  49-60
  3.1 金枪鱼自主游动的运动模式  49-50
  3.2 仿生鱼自主游动求解步骤  50-51
  3.3 计算结果及讨论  51-56
  3.4 典型时刻的流场、涡量场等分布图  56-59
  3.5 本章小结  59-60
第四章鲤鱼自主游动的数值模拟  60-78
  4.1 鲤鱼自主游动模拟数据库  60-62
  4.2 不同控制参数对速度的影响  62-68
  4.3 不同控制参数对受力的影响  68-73
  4.4 典型时刻的流场以及涡量  73-76
  4.5 本章小结  76-78
第五章金枪鱼自主游动的数值模拟  78-97
  5.1 金枪鱼自主游动模拟数据库  78-79
  5.2 不同控制参数对速度的影响  79-85
  5.3 不同控制参数对受力的影响  85-90
  5.4 典型时刻的流场以及涡量  90-93
  5.5 金枪鱼与鲤鱼尾鳍对比  93-94
  5.6 鲤鱼和金枪鱼自主游动数据库对比  94-95
  5.7 本章小结  95-97
第六章三维仿生鱼的运动轨迹控制技术  97-117
  6.1 嵌套(Overset)网格简介及验证  97-99
  6.2 鱼体O 型轨迹游动控制  99-106
  6.3 鱼体S 型轨迹游动控制  106-112
  6.4 不对称摆幅研究  112-115
  6.5 S 型轨迹和O 型轨迹共同控制研究  115-116
  6.6 本章小结  116-117
第七章总结与展望  117-120
  7.1 全文总结  117-118
  7.2 研究展望  118-120
参考文献  120-124
致谢  124-125
攻读硕士学位期间发表的论文和研究成果  125-127

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