多尾鳍仿生航行器推进性能的三维数值研究_张智伟

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1、第３２卷第５期空气动力学学报Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．５２０１４年１０月ＡＣＴＡＡＥＲＯＤＹＮＡＭＩＣＡＳＩＮＩＣＡＯｃｔ．，２０１４欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟欟文章编号：０２５８－１８２５（２０１４）０５－０６３４－０７多尾鳍仿生航行器推进性能的三维数值研究张智伟１，易淼荣１，敬军２，秦丰华１，杨基明１（１．中国科学技术大学近代力学系，安徽合肥２３００２７；２．中国船舶重工集团公司第七〇一研究所，湖北武汉４３００６４）摘要：采用格子波尔兹曼方法及浸没边界法，发展了一套适用

2、于自由游动的三维数值研究程序。进而以多尾鳍推进仿生航行器为原型，讨论了尾鳍数目、形状、材料刚度等构型参数及振幅、频率等尾鳍摆动参数对推进性能的影响。结果表明对称布置、反对称摆动的双尾鳍能够明显消除侧向力而避免航行器主体的横向晃动，且推力大于两个单独尾鳍的简单加和；在中等Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数下，具有波动性质的柔性尾鳍不论是推进速度还是推进效率均优于刚性尾鳍；当尾鳍单纯摆动推进时，具有完整鳍面的半椭圆形尾鳍的推进性能优于后部有缺口的深叉形尾鳍。关键词：仿生航行器；双尾鳍；三维；推进性能中图分类号：Ｖ２１１．３文献标识码：Ａｄｏｉ：１０．７６３８／

3、ｋｑｄｌｘｘｂ－２０１３．００２２ＤＰＩＶ对蓝鳍翻车鱼的胸鳍进行了观测，观测到推力的０引言［４－５］产生和涡的形成。Ｗａｌｋｅ研究了棘鱼胸鳍运动的［６］现代社会对资源的需求不断增加，海洋资源的探动力学特性。中国科大应用ＤＰＩＶ测量活鱼Ｃ型起［７］测与开发变得越来越重要。无人水下航行器（Ｕｎ－动的流场结构，揭示了尾鳍特性对流场的影响作用。ｍａｎｎｅｄＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅ，ＵＵＶ）是进军海洋的基Ｄｏｎｇ采用有限元法研究波动板周围的流场情况，发［８］本装备，提高其性能以适应复杂的环境、满足多变的现波动板产生的尾涡与鱼体波动推进的尾涡

4、类似。任务需求，在军事和民用领域都是重要的研究课题。国防科技大学采用Ｆｌｕｅｎｔ动网格分析技术对ＭＰＦ［９－１０］传统ＵＵＶ多采用螺旋桨、喷流回旋式或者叶轮式等模式鱼类运动学和动力学方面进行了研究。推进方式，但存在着推进效率低、机动性不佳等缺点，在鱼类游动机理研究的基础上，人们研制出了多［１１］与水生动物优良的游动能力相比更是相形见绌。模种新型水下仿生航行器。但在这一过程中，仍有仿鱼类游动方式，设计新型的仿生推进航行器，是开一些问题需要解决，如鱼类推进理论模型及对应推进［１２］发高性能ＵＵＶ的一条重要途径。方式游动算法研究、仿生航行器推进、

5、机动与稳定［１３－１５］对于鱼类推进机理，人们进行了广泛的研究。先之间的关系等。本文拟采用数值方法来模拟三驱性的基础工作如Ｌｉｇｈｔｈｉｌｌ将空气动力学的二维机维仿生航行器的自主游动，探讨推进方式对推进性能翼理论运用于尾鳍推进的研究，进而提出适用于鲹科的影响，为新型仿生航行器的研制和优化奠定基础。［１］推进模式分析的“大幅度细长体理论”；吴耀祖将经仿生航行器游动是典型的非定常、大变形动边界典非定常振动翼理论扩展到二维柔性面推进，发展出流动问题，传统的流固耦合方法会遇到网格实时更“二维波动板理论”，首次讨论了鱼类的最佳推进方新、计算效率低下等

6、困难。由Ｐｅｓｋｉｎ等提出的浸没［２］式。近年来，随着实验及数值手段的发展，人们对边界方法（ＩｍｍｅｒｓｅｄＢｏｕｎｄａｒｙＭｅｔｈｏｄ，ＩＢＭ）可在各种鱼类展开了更细致的研究。Ｓｔａｍｂｕｉｓ等使用一定精度范围内简单有效的处理非定常动边界问［１６］ＰＩＶ技术测量活体鱼游动的二维流场，分析了流场结题，其核心是建立流固交界面上相互作用力计算［３］构和速度、加速度分布特性。Ｌａｕｄｅｒ等人借助模型，将运动边界替换为边界附近区域内的体积力作　＊收稿日期：２０１３－０２－２８；修订日期：２０１３－０６－１１基金项目：国家自然科学基金（１１２７２３１

7、０）；中国舰船研究设计中心Ｂ类研发基金（ＹＦＢ１１－０４－３５）作者简介：张智伟（１９８９－），男，硕士研究生，主要从事计算流体力学工作．Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｚｈｉｗｅｉ＠ｍａｉｌ．ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ通讯作者：秦丰华（１９７５－），男，博士，副教授，主要从事仿生学、微流体力学等领域工作．Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｆｈ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ引用格式：张智伟，易淼荣，敬军，等．多尾鳍仿生航行器推进性能的三维数值研究［Ｊ］．空气动力学学报，２０１４，３２（５）：６３４－６４０．ｄｏｉ：１０．７６３８／ｋｑｄｌｘｘｂ－２０１３．００２２．ＺＨＡＮＧＺＷ，Ｙ

8、ＩＭＲ，ＪＩＮＧＪ，ｅｔａｌ．Ｐｒｏｐｏｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｖｅｈｉｃｌｅ［Ｊ］．ＡＣＴＡ