基于沉浸边界法的鱼体自主游动数值仿真.pdf

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1、机械设计与制造第3期MachineryDesign&Manufacture2013年3月基于沉浸边界法的鱼体自主游动数值仿真胡亚南，陈维山，伍志军(哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室，黑龙江哈尔滨150080)摘要：沉浸边界法是一种通过在流场中加入一个虚拟边界的方法实现壁面的无滑移效应的有限差分法，而虚拟边界是通过计算反馈力的方法得到。陈述了基于沉浸边界法的一种数值计算方法，并且利用这种数值方法对固定及简谐振动圆柱绕流进行了数值仿真，并将计算所得到的压力、涡量云图、流线以及阻力系数与文献进行对比，结果较为符合，验证了数值算法的可靠性；对于雷诺数Re=2500下摆动频率为2Hz的鱼体进

2、行了自主游动数值仿真，得到稳定平均速度在1-35倍体长左右，推进效率=76．4％。关键词：沉浸边界法；圆柱绕流；自主游动；鳐科模式中图分类号：TH16文献标识码：A文章编号：1001—3997(2013)03—0046—03NumericalSimulationofSelf-PropelledSwimmingFishBasedonImmersedBoundaryMethodHUYa-nan．CHENWei-shan．WUZhi-jHII(StateKeyLaboratoryofRoboticsandSystem，HarbinInstituteofTechnology，HeilongjiangH

3、arbin150080，China)Abstract：Byapplyingafeedbackforceintoaflowfield，theimmersedboundarymethodconbuildupavirtualboundarythatfilltheno-slipwalzcondition．Inthiswork，anumericalmethodbasedontheimmersedboundarymethodisstatedandusedtosimulateflowoverstationaryandsimpleharmonicvibratingcylinder．Pressure，conto

4、urofvorticity，streamlinesanddragcoeficientoftheflowfieldareobtainedandcomparedwithresultsreportedbyother’Swork．Goodagreementbetweenourworkandother’Sresuhsvalidatethatthenumericalsimulationmethodarecorrec~Aself-propelledisdevelopedandsimulatedinrestwaterusingthenumericalsimulationmethodsunderthecondi

5、tionofoscElatingfrequencyf=2HzandR=2500．Themeanswimmingvelocityof1．35BLs～isachievedandthepropulsiveefficientapproachesto76．4％．KeyWords：ImmersedBoundaryMethod；Cylinder；Self-Propelled；CarangiformSwimming1引言文献p利用这个算法模拟了二维动、静网柱绕流。人们提出了不同算法用以提高仿真计算精度。文献[41提出了一种加入胡克最早由文献⋯提出的沉浸边界法(TheImmersedBoundary定律的二阶精

6、度沉浸边界法。文献J发展出一种采用MAC(Mar—Method，简称IBM)近年来已经成为用来解决流体中边界与液体kerandCel1)的算法并植入到一种狄拉克网格中。在文献的研究相互作用的最流行的方法之一。在这种方法中，流体被定义在一中定义了在仿真动边界时候产生虚力震荡(SFOs)的两个来源，并个独立的欧拉网格上(或称狄拉克网格)，而沉浸在流体中的固体研究了降低SFOs的因素。边界则由一系列拉格朗日点表示。边界与流体之间的相互运动产在工作中我们使用了直接从N—S方程中得到的计算反馈力生施加在流体上的边界力，而流体不必因此而重构网格，提高了的方程，方程中包含了从边界施加到流体的各项力。计算中使

7、用计算效率。将要利用沉浸边界法对流体中的定圆柱、简谐振动圆了二阶半隐式算法用来解算动量方程中的耗散项和压力修正值。柱和自主游动鱼体进行仿真。仿真了动、静圆柱绕流以及鱼体自主游动问题，部分结果和文献为了计算边界反馈力，文献喂出了计算边界力密度的虚拟实验或数值计算结果作了比较。边界公式，这种边界反馈力可以将固体边界周围的流体速度提高2控制方程或降低到边界自身的速度，公式如(1)所示：二维粘性不可压缩流