仿鲹科机器鱼双体耦合波动推进动力学特性研究.pdf

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1、仿鲹科机器鱼双体耦合波动推进动力学特性研究Studyondynamiccharacteristicsoftwocarangiformroboticfishcouplingundulationpropulsion12薛文奎，谢鸥12XUEWen-kui,XIEOu（1.常州机电职业技术学院电气工程学院，常州213164；2.苏州科技大学机械工程学院，苏州215009）摘要：采用数值模拟方法仿真分析了仿鲹科机器鱼在不同波动频率、波动幅度和初始相位差下的双体耦合波动推进动力学特性，重点研究了同相和反向波动时的阻力和升力系数。实验测试表明：双体机器

2、鱼反相波动耦合推进速度比同相波动高，且游动更稳定。研究结果对仿生水下机器人的研制具有指导意义。关键词：仿鲹科机器鱼；波动推进；耦合；动力学特性中图分类号：TP242文献标识码：A文章编号：1009-0134(2017)04-0143-050引言能。根据波动姿态的不同，本文重点研究同相和反相波鱼类历经数亿年的自然进化，形成了独具特色的游动动时的流体动力学特性。能力，以适应复杂的海洋环境。受鱼类优越的水下推进机[1,2]制启发，工程技术人员研发了各种仿生水下航行器。此外，生物学家观测发现，80%的鱼类具有群游特性，尤其是小型鱼类，几乎是100%

3、具有群游特性。众所周知，在自然界，单条鱼的力量很弱小，游动动作也很简单，但作为一个群体，鱼类在猎取食饵、逃避敌害和集群洄游等方面表现出惊人的力量。研究表明，鱼类的集群游动蕴含着丰富的流体动力学原理。基于计算流体动力学方法（CFD），研究人员对串行排列的两条仿生机器鱼的游动情况进行了一系列数值模拟分析，结果发现，下游的鱼能从上游鱼产生的尾涡中吸收能量来提高推进[3～5]效率。然而，对于鱼类并行游动的研究却很少见报道，本文将以仿鲹科机器鱼为研究对象，采用数值模拟(a)同相波动(b)反相波动和实验研究的方法揭示并行排列的仿鲹科机器鱼双体耦图1鲹科

4、鱼类并行游动耦合推进示意图合波动推进的动力学特性。2动力学数值模拟分析1问题描述按照产生周期性游动的生物推进器类型、部位和2.1仿真建模原理不同，鱼类游动推进模式可分为两大类：身体-尾如图2所示，在Fluent软件中建立仿鲹科机器鱼双鳍模式（BodyandCaudalFin,BCF）和中央鳍/对鳍模体耦合波动推进的仿真模型，每个机器鱼由头部和尾鳍[6]式（Medianand/orPairedFin,MPF）。鲹科鱼类是典两部分组成，采用三角形非结构自适应网格对计算区域型的BCF游动模式，其通过身体的后半部分在横向方向进行划分，计算域的左边界

5、为速度入口，初始速度设为往复地作扭曲摆动，以横波的方式由前向后传播以获得v=0.5m/s。采用动网格技术对机器鱼的运动过程进行网推进力。如图1所示，并行游动的两条鲹科鱼类，其尾格更新，仿鲹科机器鱼的尾鳍运动可采用Lighthill提出[7]鳍在波动过程中将通过流体互相耦合从而影响其推进性的鱼体波动方程进行描述：收稿日期：2017-02-15基金项目：国家自然科学基金（51305287）；江苏省自然科学基金（BK20130264）；江苏高校品牌专业建设工程资助项目（TAPP）（PPZY2015C238）作者简介：薛文奎（1979-），男，河南

6、驻马店人，讲师，硕士，研究方向为计算流体动力学分析和机器人技术。第39卷 第4期 2017-04 【143】(1)式中：yt(xi,t)表示第i条机器鱼的横向位移；c1，c2为波幅包络线系数；xi为第i条机器鱼的x轴坐标值；k为机器鱼的体波波数；ω为机器鱼的体波频率；ϕi为第i条机器鱼的初始相位差；L为机器鱼的尾鳍长度。本文设两条机器鱼的波动方程参数c1，c2，k和ω为相同的值，按下式控制尾鳍的初始相位差，实现同相和反向波动。图2鯵科机器鱼双体耦合推进仿真模型−=−ϕϕ0,inphase120(2)ϕϕ−=180,anti−phas

7、e12个运动周期内的压力云图。由图3(a)可知，反相波动定义仿生推进器沿x轴负方向游动，游动过程的阻时，在两个机器鱼尾鳍张开阶段T/4，会在尾鳍中部产力系数Cd和升力系数Cl计算如下：生一个低压区，同时在各尾鳍的根部会形成一个高压中2Fx心，随着尾鳍张开角度变大，高压中心向尾鳍末端移动Cd=2ρvBC(3)最后从尾鳍脱落。在尾鳍收合阶段会在尾鳍中部形成高2FyCl=ρvBC2压中心，随着尾鳍的波动，高压中心最后也从尾鳍末端脱落。由图3(b)可知，同相波动时，在两个机器鱼尾鳍式中：Fx为x轴方向的流体阻力（也即推进力）；上摆过

8、程T/4，上方机器鱼尾鳍的上方会形成一个高压Fy为y轴方向的侧向力；ρ为流体密度；B为尾鳍末端的中心，而在下方会形成一个低压中心，随着波动运动的摆幅；B为尾鳍特征弦长；v为来流速