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基于CFD的鳐鱼水动力学数值模拟研究

作　者: 周杨
导　师: 陈维山
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 仿鱼机器人自主游动水动力运动参数
分类号: TP242.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着探索海洋、利用海洋资源的呼声越来越高,水动力学性能更加优秀的水下推进器的研究热潮也随之而来。仿鱼机器人因为其仿生对象所具有的优越性能,更是成为当前研究的热点。然而,目前国内外学者对于仿鱼机器人机动性方面的研究较少,导致其难以适用于较复杂空间和工况的水下作业。针对这个问题,本文以具有良好机动性的鳐鱼为仿生原型,对仿鳐鱼水下推进器自主游动时的水动力学性能进行了仿真研究。根据鳐鱼的生物学特征,本文建立了仿鳐鱼水下推进器的物理模型,再结合国内外已有研究成果提出了它的运动学模型,并通过MATLAB软件仿真胸鳍的运动,证明了运动学模型的正确性。接下来本文以刚体动力学理论为基础,提出了仿鳐鱼水下推进器的动力学方程,并针对该方程中的相关参数提出了相应的算法,获得了完整的动力学模型。在此基础上,本文利用FLUENT软件编程仿真实现了推进器在流场中的稳定自主游动,初步分析了其在时间域中的水动力学性能,并与已有研究成果对比,证明了模型的正确性和仿真的可靠性。以此为基础,本文对鳐鱼的三种基本运动参数——胸鳍波动频率、波数、振幅进行了分析,并结合本文提出的振幅控制因子的概念,利用控制变量法分别对它们进行了研究,分析了不同参数条件下鳐鱼的水动力学性能,初步获得了仿鳐鱼水下推进器的运动参数选择规律。同时,通过对鳐鱼稳定自主游动时鱼体表面和附近流场的压力分布的研究,初步分析了鳐鱼的运动机理。在此基础上,本文对鳐鱼的胸鳍波动频率进行了深入研究。根据本文给出的控制算法,在一个波动周期内,为鳐鱼胸鳍赋予了两种不同的波动频率,分析了两种频率复合对鳐鱼游动性能的影响。通过上述的一系列理论和仿真研究,本文对仿鳐鱼水下推进器进行了初步的水动力学分析和运动参数规划,揭示了三种基本运动参数对其水动力学性能的影响规律,并初步对其运动学模型进行了较成功的改进,为接下来的进一步仿真分析、模型改进和样机研制奠定了基础。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-18
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-15
    1.2.1 鱼类推进模式的分类及特点  11-13
    1.2.2 鱼类游动机理及仿鱼机器人研究现状  13-15
  1.3 现有研究中存在的不足  15-16
    1.3.1 对于仿鱼水下推进器机动性的研究较少  15-16
    1.3.2 鳐鱼等波动鳍鱼类推进机理的研究很少  16
    1.3.3 对鳐鱼的自主游动仿真研究很少  16
  1.4 本文主要研究目标和研究内容  16-18
    1.4.1 建立鳐鱼的物理模型和运动学模型  16
    1.4.2 建立鳐鱼的动力学模型并仿真实现鳐鱼的自主游动  16-17
    1.4.3 对鳐鱼的主要运动参数进行分析  17
    1.4.4 深入研究胸鳍波动频率对鳐鱼游动性能的影响  17-18
第2章鳐鱼的物理模型和运动学模型的建立  18-28
  2.1 鳐鱼的生物学特点  18-19
  2.2 鳐鱼物理模型的建立  19-23
    2.2.1 类三角形鳐鱼物理模型的建立  19-22
    2.2.2 椭圆形鳐鱼物理模型的建立  22-23
  2.3 鳐鱼运动学模型的建立与仿真  23-27
    2.3.1 鱼体坐标系下鳐鱼的运动学方程  24-26
    2.3.2 鳐鱼运动参数的确定  26
    2.3.3 鳐鱼运动学方程的仿真  26-27
  2.4 本章小结  27-28
第3章鳐鱼动力学模型与自主游动仿真  28-40
  3.1 引言  28
  3.2 鳐鱼动力学模型的建立  28-32
    3.2.1 鳐鱼的动力学方程  28-29
    3.2.2 动力学方程关键参数的计算  29-32
  3.3 鳐鱼自主游动的编程  32-34
    3.3.1 鳐鱼自主游动仿真程序的理论基础  32-33
    3.3.2 鳐鱼自主游动仿真程序的编制  33-34
  3.4 鳐鱼自主游动的时域仿真与分析  34-39
    3.4.1 鳐鱼自主游动性能的评价方法  34-35
    3.4.2 类三角形鳐鱼的初步仿真分析  35-39
  3.5 本章小结  39-40
第4章三种基本运动参数对鳐鱼游动性能影响的研究  40-61
  4.1 引言  40
  4.2 基本运动参数和研究方法的确定  40-41
  4.3 胸鳍行波波动频率对鳐鱼游动性能的影响  41-47
    4.3.1 频率研究范围的确定及其对鳐鱼波动参数的影响  41-42
    4.3.2 行波波动频率对鳐鱼水动力学性能的影响  42-47
  4.4 胸鳍行波波数对鳐鱼游动性能的影响  47-51
    4.4.1 波数研究范围的确定及其对鳐鱼波动参数的影响  47
    4.4.2 行波波数对鳐鱼水动力学性能的影响  47-51
  4.5 胸鳍行波幅值对鳐鱼游动性能的影响  51-55
    4.5.1 幅值研究范围的确定及其对鳐鱼波动参数的影响  51-52
    4.5.2 行波振幅对鳐鱼水动力学性能的影响  52-55
  4.6 鳐鱼与其周围流场的相互作用分析  55-60
    4.6.1 鳐鱼表面压力分布的分析  56-58
    4.6.2 鳐鱼附近流场压力分布的分析  58-60
  4.7 本章小结  60-61
第5章不同胸鳍波动频率的复合对鳐鱼游动性能影响的初步研究  61-68
  5.1 引言  61
  5.2 胸鳍波动频率的复合  61-62
  5.3 复合频率研究范围的确定及其对鳐鱼波动参数的影响  62-63
  5.4 两种胸鳍波动频率的复合对鳐鱼游动性能的影响  63-67
  5.5 本章小结  67-68
结论  68-70
参考文献  70-74
附录  74-80
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  80-82
致谢  82

基于CFD的鳐鱼水动力学数值模拟研究

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