（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）粘性流场中鱼类胸鳍的水动力分析.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文手两晏鱼类游动具有高速、高效、高机动性和低噪声等特点，将鱼类推进和操纵系统用于水下机器人，替代传统的桨一舵系统，有着十分重要的意义。目前水下仿生技术研究集中于尾鳍鱼体推进，但在低速情况下，很多鱼类是利用胸鳍实现良好的动力定位和机动。本论文通过对基于求解雷诺平均纳维一斯托克斯( g r i n s ) 方程的商用c f d 软件f l u e n t 的二次开发，采用其先进的动网格技术以及强大的后处理系统，首先计算了刚性胸鳍在二自由度运动模型下以特定频率运动时的水动力性能并与涡格法的计算结果和实验结果进行了对比分析；其次探讨了雷诺数、壁面条件、相位差、振幅改变情况下胸鳍在不同频率下作二自由度耦合运动时的水动力性能；最后在此为基础上，计算分析了刚性胸鳍三自由度运动模型的非定常水动力性能。研究表明，将基于粘性求解器的计算流体力学软件应用于分析计算刚性胸鳍推进机理的水动力性能上，是切实可行的。但鱼类的推进和操纵方式有自己的独特之处，需要进一步更深入的研究。关键词：胸鳍；r a n s ；f l u e n t ；动网格；水动力哈尔滨工程大学硕十学位论文a b s t r a c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff i s hs w i m m i n ga r ef a s t ，e f f i c i e n t ，f l e x i b l ea n dq u i e t s oi t si m p o r t a n tt oa p p l yf i s hs w i m m i n gm o d et ot h eu n d e r w a t e rv e h i c l ep r o p e l l i n gs y s t e mi n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lp r o p e l l e ra n dr u d d e rs y s t e m a tp r e s e n t ，t h e r ea r em a n yu n d e r w a t e rb i o n i cs t u d i e sf o c u s e do nb o d ya n d o rc a u d a lf i n ( b c f )l o c o m o t i o n h o w e v e r , m a n yf i s h e s p r o p u l s i o ns y s t e m sp e r f o r mw e l lf o rb o t he f f i c i e n tc r u i s i n ga n dh i g hm a n e u v e r a b i l i t ya tl o ws w i m m i n gs p e e db yu s i n gp a i r e dp e c t o r a lf i n s i nt h i st h e s i s ，t h ep e c t o r a lf i ni sc o n s i d e r e da sar i g i dp a d d l ea n dt h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er i g i dp a d d l ei sa n a l y z e db yt h es e c o n d l yd e v e l o p e df l u e n t ( c f dc o d e ) w h i c hi sb a s e do nr e y n o l d s - a v e r a g e dn a v i e r s t o k e se q u a t i o n s m e a n w h i l e ，t h em e t h o do fd y n a m i cm e s ha n dp o s t p r o c e s s i n gs y s t e ma r ea l s of u l l yu s e d f i r s t l y , t h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er i g i dp a d d l ei sc o m p u t e da sat w od e g r e eo ff r e e d o mm o d e lw i t hag i v e nf r e q u e n c y t h e nt h er e s u l ti su s e dt od oac o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t l lt h er e s u l to fu n s t e a d yv o r t e xl a t t i c em e t h o da n de x p e r i m e n tr e s u l t s e c o n d l y , t h ep a r a m e t e r sa r ec o n s i d e r e ds u c ha sr e y n o l d sn u m b e r , w a l lc o n d i t i o n ，p h a s ed i f f e r e n c ea n dc h a n g e da m p l i t u d e ，a n di ti sd i s c u s s e dt h a tt h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er i g i dp a d d l em o v i n gw i t ht w od e g r e eo ff r e e d o mc o u p l i n gm o t i o n s a tl a s t ，b a s e do nt h ep r e v i o u sc a l c u l a t i o n s ，t h eu n s t e a d yh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h er i g i dp a d d l ei sc a l c u l a t e da n da n a l y z e da sat h r e ed e g r e eo ff r e e d o mm o d e l t h r o u g ht h er e s e a r c hi nt h i st h e s i s ，t h ec o n c l u s i o ni sd r a w nt h a tt h ec f ds o f t w a r er e l a t e dr n ss o l v e ri sf e a s i b l et od ot h eh y d r o d y n a m i ca n a l y s i so fo s c i l l a t i n g w i n gp r o p u l s i o n m o r ed e t a i lr e s e a r c hs h o u l db ed o n eo nt h eu n i q u es w i mm e c h a n i s mo ff i s h k e yw o r d s ：p e c t o r a lf i n s ，r a n s ，f l u e n t , d y n a m i cm e s h ，h y d r o d y n a m i c哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者( 签字) ：王善盗立日期：硼年2 月g 日哈尔滨t 秤大学研究生学位论文1 1 课题研究的背景第1 章绪论目f j f ，人类为了探测和开发海洋资源或在军事上取得制海权，已经研制出了多种小型潜器。尽管它们的控制方式和用途各有不同，但其实现运动控制的操纵与推进系统都是由多个螺旋桨推进器组成的。这样的系统体积大、重量重、能耗高、综合效率低( 通常小于4 5 ) ，可靠性差、瞬时响应有严重的滞后现象、运动灵活性能差、并且伴有较大的噪音和尾涡。另一方面，水生动物经过上亿年的演变和进化，早已在优胜劣汰中将其在水中的运动能力发挥到了极至，其中鱼类和鲸类等哺乳动物( 此处我们统称为鱼类) 的游动方式具有高速、高效、灵活、低噪等特点舱1 ，其游动和控制姿态的能力是目前任何装备传统操纵与推进系统的潜器所无法比拟的。将其应用于水下机器人，将为水下机器人的研究和发展提供新的起点和更为广阔的空间。近年来人们对仿生学的研究已经为人类带来了巨大的益处，仿生水下机器人技术已经成为水下机器人的重要研究方向之一，它基于仿生学原理，通过对鱼类游动机理的研究，利用机械结构、电子设备和智能材料来丌发模仿鱼类的操纵和推进方式1 ，并将其应用于水下机器人。这种新型水下机器人在战争时期，可用于水雷战和反水雷战、军事侦察和潜艇的配套武器；在和平时期，可用于复杂海洋环境下的海底测量、海洋观察、水下救生等，因此具有十分重要的意义。地球上的鱼类种群繁多，按照游动的驱动部位的不同，主要分为胸鳍推进方式和尾鳍推进方式。胸鳍可改变攻角，具有小量的f 浮力，可在水面航行，当具有一定的航速后，可调整胸鳍攻角，靠胸鳍的升力潜入水下航行；但由于以尾鳍为主的推进方式可以产生较高的推进速度和起动加速度。因此，目前在水下仿生技术研究方面，众多的研究主要集中于尾鳍的运动和鱼体的运动，如振动的薄片产生推力等。这样会导致机器鱼只能做有限的机动，难以实现悬浮和定位等运动，而对于低速的情况，仿生水下机器人如何实现哈尔滨一阳辞人学研究牛学何论文悬浮和稳定的操纵，很少有研究者涉足。然而在大自然中，有很多鱼类，在低速情况下，是利用其胸鳍实现良好的动力定位和机动的。这正是给仿生水下机器人在低速的情况下实现稳定的悬浮和良好的操纵提供了一个很好的解决方案。1 2 鱼类胸鳍推进机理的相关研究1 2 1 鱼类游动方式的分类鱼类推进运动涉及到的方式很多，尺度、速度范围也很大，雷诺数范围很大( 1 x 1 0 2 1 x 1 0 7 ) ，不同的雷诺数范围，推进运动也不一样。1 9 2 6 年b r e d e r 3 根据鱼类推进运动特征的不同，对鱼类推进运动的方式进行过简单的划分，但却是首次对鱼类推进运动方式进行了科学的划分。1 9 8 4 年p w w e b b 1 在此基础上把鱼类游动推进方式划分为两大类：1 ) 身体( 和或) 尾鳍推进( b c fl o c o m o t i o n ) ：2 ) 中间鳍( 和或) 对鳍推进( m p fl o c o m o t i o n ) 。图1 1 给出了鱼鳍分类的说明：中问鳍对鳋图1 1 鱼鳍的分类和说明其中：中间鳍有背鳍( d o r s a lf i n ) 和臀鳍( a n a lf i n ) ；对鳍包括胸鳍( p e c t o r a lf i n s ) 和腹鳍( p e l v i cf i n s ) 。我们可以将两大类的继续进行细分，以游动部分产生波形特征作为划分的根据，可分为波动推进方式( u n d u l a t o r y ) 和摆动推进方式( o s c i l l a t o r y ) 。由于本论文的主题是研究鱼类胸鳍的水动力性能和运动机理，根据上述2哈尔滨t 稗大学研究卞学位论文分类，属于i d p f 推进类型，下呵简要介绍m p f 推进的分类和柏关研究。1 2 2m p f 推进的分类及相关研究m p f 推进方式细化为下面七种，图1 2 反映了不同的推进方式。瞻p e c t o r a l sd o r s a la n a ld o r s a l & a n a lu n d u l a t o r yir a j ：i f o r mlf i nm 蕊1 0 n sl 泌剖o s c l l h t c c yf mr l l o b o n $l 眵d w d o n t i f o r m 图a i n u f o r m 图图b a l r s t ：f o r m 厂吲it e t m o d o n t i f o r mil 刊l ：刊破fe l a g s i t i e a l i o t ls c h e m e ，b a 。e do nl i n d s e y ( 1 9 7 8 )图1 2m p f 推进方式图1 2 中各种推进方式为：鳐鱼模式( r a j i f r o mm o d e ) 、河豚模式( d i o d o n t i f o r mm o d e ) 、背鳍波动模式( a m i i f o r mm o d e ) 、裸背鳗属模式( g y m n o t i f o r mm o d e ) 、背鳍加臀鳍波动模式( b a l i s t i f o r mm o d e ) 、咽颌模式( l a b r i f o r mm o d e ) 、背鳍加臀鳍摆动模式( t e t r a o d o n t i f o r m ) 。从运动学角度研究脾缝的咽颌型模式( 1 a b r i f o r mm o d e ) 运动，b l a k e u 纠提出胸鳍的两种主要运动方式：一是基于阻力的滚转运动( d r a g b a s e dr o w i n ga c t i o n ) ；是基于升力的振翅运动( 1i f t b a s e df l a p p i n ga c t i o n ) 。其中基于阻力( d r a g - b a s e d ) 咽颌型模式在低速时效率非常高，而在高速时基于升力( 1if t - b a s e d ) 的咽颌型模式效率也非常高。近年来又出现一种新的运动方式一基于加速度反作用力模式，该模式认为，由于鳍的速度发生变化时引起鳍周围流场的变化，产生了对鳍的阻力，同时也产生推力。 。2 。3m p f 推进的机理研究由于自然过程固有的可变性与复杂性，相对于别的工程领域，鱼类运动学实验的精确性、可靠性及测量方法均具有局限性，鱼类推进机理研究工作进展不大，近年来随着流体力学研究者的加入，计算机科学的进步，水溺实验、流场观测实验方法和流体建模、数值计算等方法用于鱼类运动研究，鱼哈尔溟f ：程大学研究生学何论文i m类胸鳍游动机理的研究取得了长足的进腱。1 9 4 2 年，c m b r e d e r 和 e e d g e r t o n 强蹯等人定性分析了海马背鳍和臀鳍波动模式推进力的产生途径，并对推进力进行了分解，这种分解方法对大多数胸鳍波动模式推进都适用。1 9 7 6 年，r 箨b l a k e 蹲朝对此进李亍了实验验证，得到了相同的结论。1 9 6 7 年，r a l e x a n d e r - 加指出，鱼类对鲮的波动主要应用在水中定位方面，并且对幽于压力变化、突然的扰动甚至尾流造成的扰动进行了补偿和修f 。1 9 7 9 年，r w b l a k e 蹲钲对鱼类胸鳍的摆动运动分成为两种主要的运动：滚转运动的阻力模式运动和类似鸟类翅膀拍打运动的升力模式运动。并且于1 9 7 9 臻年和1 9 8 0 籀鼹年给出了阻力模式的运动学和动力学分析。r 。w 。b l a k e 汹3应用“叶片单元理论 计算了推进效率，在该理论中胸缝被分成一些刚性的单元，每一单元与入流成某一角度。通过测试8 厘米长以0 5 b l s ( b l 为体长) 速度游动的华脐鱼，胸鳍最外侧4 0 的鳍面积产生超过8 0 的推力，通过此方法得到的推进效率为1 6 。1 9 8 1 年，r w b l a k e 嘞1 建立了胸鳍推进模式中阻力模式的简单水动力模型，指出对于给定面积的鳍，三角形的鳍比方形或矩形的鳍产生较小的阻力干扰。这与观察到的胸鳍形状相符。1 9 8 3 和t 9 8 9 年，p j g e e r li n 插7 3 和s d 。4 r c h e r 强8 3 等人分别给出了升力模式的水动力学分析。1 9 9 4 年，s v o g e l 啼鲫指出，阻力模式在低速运动时具有较高的效率，面升力模式在高速运动时着具有较高的效率。1 9 9 4 年，a c g i b b 阳钔指出，由于胸鳍膜及鳍条的高弹性，胸鳍以及身体与周围运动着的水的互相作用非常复杂，所以鳍的运动也非常复杂。鳍的运动很少表现出清晰的滚转运动或拍打运动，而是表现出复合的运动，并且给出了详细的3 - d 运动学数据。i 9 9 7 年麓1 l ；| w e s t n e a t h e 帮j a 。w a l k e r 疆“褥出了相同的结论。1 9 9 6 年v i a r r e o l a 协2 3 等人指出，在胸鳍波动过程中，垂直方向上力的分量产生使鱼发生偏转的力偶，这一点是通过胸鳍的对称运动抵消的。并且。通过胸鳍的不对称运动以及运动的相位差可以使其获得良好的机动性能。4哈尔滨f 裂大学彰 究生掌傅论文一i i 1 i i i i i i i i 黼誓i i i i i i i i 簟嗣i i i i i i i i 嗣麓i i i i id r u c k e r & l a u d e r 山。m 钆钆等人从1 9 9 4 年，i ：始利用p i v 和d p i v 的方法进 亍很多游动的观察实验，他们观察了翻车鱼( s u n f i s h ) 和海鲫( s u r f p e r c h )利用胸鳍前进的过程，通过观察胸鳍的三维尾流场，分析了低速鱼( 翻车鱼)和高速鱼( 海鲫) 尾流场的差别；劂时观察了翻车鱼利用胸鳍转弯的过程，并通过观察胸鳍的惩流场分析了翻车鱼的受力情况，从两说明了翻车鱼脚鳍转艏的机理；他们还对鱼鳝的肌肉结构进行了解剖和分析，指出人类目阿的机械结构还不麓达到像鱼这样的灵活的鳍，但入工腮肉及新型材料的出现可能有望实现象鱼鳍一样灵活的人工鳍，而分析鱼鳍的运动特性将有助于我们设计出水动力性能及可控性都比较完美的枫器人。2 0 0 3 年左治华盛顿大学( t h eg e o r g ew a s h in g t o nu n iv e r s it y ) r a j a tm i t t a l ，i m r a na k h t a r & m e l i h ab o z k u r t t a s 汹1 等人用c f d 方法对假想仿生机器入( 翔图1 3 ) 胸鳍进行了计算，胸鳍是转动与垂向运动的复合运动，运动规律如下：z = z l s i n ( 2 n f t )a = a o + a l c o s ( 2 z f t )其中z 为垂囱运动幅徨，z ，力垂向运动的最大幅值，8 蔻转动的焦度，a ；为转动的最大的角度，a 。为相位差。同时计算和分析了二维胸鳍与三维胸鳍。同对指出计算模型是仿生水动力学( b i o - h y d r o d y n a m i c ) 待解决的问题，也是决定性的问题，并指出未来的发展方向。图1 3 左治华盛顿大学的仿生机器人 。3 胸鳍游动机理的实验研究胸鳍游动机理的实验研究近年来得到了普遍的发展。实验研究方法分为两种：一种是测量鱼体周围的流体运动以便了解动物在水中运动时怎样产生推力，通常使用粒子测速系统，近年来出现了一种新型的实验仪器一数字颗粒影像测速仪( d p i v ) ，广泛用于流场显示及定量的i 维流场测量：另一种是直接删龟鱼体运动记录并分析鱼类游动的轨迹从而得出运动规律。1 3 1 利用d p i v 技术进行实验研究中的方法d p i v 技术提供了种测量生物在流体中运动巾的力的逼近的方法，可以将似鱼状物体周围的i 维流场真实显示出柬，尤其是推进和机动力的涡结构的p 成和演化。1 9 9 9 年加利福利亚大学( u n i v e r s i t yo l c a l i f o r n i a ) 的e 1 l o tgd r u c k e r 和g e o r g evl a u d e r “利用d p i v 技术分析太阳鱼胸鳍的尾流场，鱼的游动速度范围是05 一i5 血一，发现当每个胸鳍的游动速度达到05 厶1时，由于尾流场而产生i i 1 州的平均阻力3 2 i i n 的、卜均升力。纵中剖面的反作用力大约是每个鲭阻力的1 2 5 ，就能隔离左右涡环，有助于太阳鱼的操纵性。陶14 就是用来观察鱼类鲳在游动中流场的d p i v 装置。，劲蒜鬟毗掣f 二o c u s l n 9 。图l4 用d i ，i v 技术束观察鱼类的游动规律1 3 2 直接测量鱼体运动实验方法鱼体的运动的方法主要是追踪鱼体的运动或对运动鱼体轮廓的图像进行差分来研究鱼体运动方式，主要用于设计或改进仿生机器的运动方式。哈尔滨i ：程人学研究生学位论文 1 本大阪大学n k a t o 教授为了研究鱼类胸鳍的运动规律进行了类似的实验研究，他拍摄了鱼的运动，并且提取了囱体轮廓，如图15 ( 胸鳍运动轮廓) 和【墨| l6 ( 海豚运动) 。在其课题合作部门的帮助下，他们给鱼打l标记并目在鱼游动时追踪这个标| 己，使用得到的数掘画出了反映鱼游舰律的蚓像，y 轴表示位移，x 轴表示时i 刈。如图l _ 7 所示。r”1图15 胸鳍运动轮廓( 鱼)图1 6 胸鳍运动轮廓( 海豚)7 i：? j ，i ：二图l7 鱼游运动曲线目前应用较多的实验方法是利用d p i v 技术柬观测鱼体周围的流场分布来推算胸鳍或者尾鳍的运动规律，因为d p i v 技术可以直观地描述鱼体周围的二二维流场，然后结合流体力学的知识柬进行研究物体的运动规律：直接观测囱体运动的实验方法因为不能确定使鱼体能够稳定的运动，并且用于描述运动的观测点不容易控制因此现在应用不多。哈尔滨t 种火学研究生学何论文1 。4 胸鳍游动机理的理论研究由于对胸鳍的推进机理还不是很清楚，目前在胸鳍的理论研究方面；国内外近年来才开始有人涉足这一领域。同本大阪大学n 。k a t o 嫡砌呻1 观察和分析了黑色鲈鱼的胸鳍的三维运动，并用计入了粘性影响的非定常涡格法分析了具有两个自由度的仿黑鲈鱼机械胸鳍( 2 m d m p f ) 的水动力性能，并与试验进行了对比，同时也分析了三个自由度机械胸鳍的水动力。目前正在和美国合作进行3 m d m p f o 的丌发。h i r o y o s h is u z u k i 和n k a t o h 用基于非定常、复式、重叠分区的动网格n s 方程计算粘性流场中刚性胸鳍的水动力性能，用该方法得到了时间平均和每时刻下的水动力系数并与他们的实验结果进行了对比。哈尔滨工程大学的苏玉民、赖伟成、曹庆明h 3 用非定常涡格法计算分析刚性胸鳍的二自由度、三自由度运动与1 2 行程时间比运动的水动力性能，得到胸鳍在运动过程中的附加质量，然后在“仿生一i ”号运动仿真模型的基础上，建立基于胸鳍推进与操纵水下机器人的运动仿真模型。国防科技大学的杨少波、韩小云、卞文杰盯3 1 等以胸鳍摆动式鱼类为研究对象，同时考虑流固耦合的影响，采用任意拉格朗日和欧拉网格耦合分析方法利用m s cd y t r a n 对其泳动行为进行仿真研究，通过给定规律的集中激励，实现了胸鳍摆动式鱼类的泳动仿真。中国科学技术大学的竺长安、尹协振、陈宏对新近研制的仿生水下机器人r o b o m a c k e r e l 口钔，建立其在胸鳍摆动模式下游动的物理模型，并给出机械胸鳍摆动的运动方程。利用库达一儒柯夫斯基定律和二维叶素理论，分析r o b o m a c k e r e l 巡游时受到的流体作用力。通过动力学仿真，计算r o b o m a c k e r e l 的游速、推进力、瞬时功率和平均效率等水下推进性能指标。为有效地提高r o b o - - m a c k e r e l 的水下推进性能，分析讨论了机械胸鳍摆动各运动学参数和上述指标的关系，并提出各运动学参数的最优值。1 5 国内外仿胸鳍推进的水下机器人1 9 9 4 年，日本名古屋大学t o s h i of u k u d a 提出了一种基于胸鳍模式机理由压电陶瓷推动两个对称膜片摆动的微型水下游动机器人，并进行了一系列8哈尔滨鼙人学研究生学位论文的研究。研制出了种将压电陶瓷微位移进行放大的弹性铰链放大机构，其放大倍数约为2 5 0 。两个对称的膜片的摆动可以使横向力相抵消，前进的动力得到加强。浚机器人长度约为3 2 m m ，宽为1 9 m m 运动速度为2 16 1 0 - 3 3 2 5 i 03 m s ，浚机器人在管道检查及生物、医学：r 程等领域有广阔的应用前景。2 0 0 1 年b r e t ti l o b s o n m a r k u r r a y ，a n dc h u c kp e l1 等人“”。| 设汁了一个柔性鳍( 起名为n e k o r 鳍) 推进与操纵的机器人p i l o t f is h ，如图18 。n e k o r 鳍是由一种高韧性( 即高耐断裂性能) 的聚氨基甲酸( 乙) 酯弹性鳍组成，鳍以不锈钢驱动轴为芯铸造而成。该机器人在四个鲭的配合下能实现纵荡、横荡、垂荡、横摇、纵摇和摇首六个自由度的运动。而且c h u c kp e l l等人还从二维数值模型探索挠性鳍与周围流体倒的耦合入手慢慢建立复杂、非定常力的三维流固耦合模型，最终要形成一种预报最佳鳍型设计和运动的驱动参数的数学模型及高性能的控制系统。图1 8p i l o t f i s h日本大阪丈学n k a t o 教授等人研究了黑鲈鱼的胸鳍运动原理，初步分析了胸鳍动作状态与游动姿态的关系。nk a t o 从水下运动装置的机动性能出发主要分析了在水平面以及垂直面上的盘旋以及转向运动与鱼的脾鳍摆动之削的关系，并研制了如图19 ( a ) 、( b ) 所示仿鲈鱼水下机器人。( c ) 为美国和日本合作进行的利用胸鳍三维运动实现水下机器人精确控制的水下机器人( 3 m d m p f ) 。下图是其仿胸鲭系列机器人( i 1 a c k b a s sr o b o t 、2 m d m p i ? 、3 h i d m p f ) 。翻转眷警鲁盔=图l9 一本东海大学加藤实验室仿鱼鳍系列机器人( a )( b )( c )m n 海洋工程实验室s t e p h e nl i c h t 等人”设计了利用摆动板进行推进和操纵的机器人，名字为s e at u r t l e ，如图11 0 。它山四个驱动器组成，每个驱动器( 如图l ，1 0 ( a ) ) 都可方便的更换。其目的是研究如何利用摆动板进行机器人的操纵与控制，虽足摆动板，但也可以认为是胸鳍摆动模式的一种。蜒吼、搿( a )( b )( c )图1 t 0m i t 海洋工程实验室的s e at u r t l e 机器人16 论文的研究背景及意义本论文来源于国家自然科学基金资助项目和校内基础研究基金资助项目。研究目标是利用计算流体力学( c f d ) 分析胸鳍的水动力性能、进行鱼类胸鳍运动的机理研究。奉论文主要研究胸鳍的运动规律，利用目前比较流行计算流体力学( c f d ) 软件f 1u e n t 的二次开发功能进行水动力的计算分析，分析鱼类胸鳍的运动机理。随着计算机技术、传感器技术、智能控制技术等技术的快速发展，同时哈尔滨1 j 稃人学研究乍学佗论文由于海洋开发和军事上的需要，各主要海洋大幽都十分重视水下机器人的开发与利用。传统水下机器人采用桨舵作为推进和操纵系统，存在很多的局限性。利用仿生学原理，开发类似鱼类胸鳍一样灵活的机器胸鳍推进与操纵系统可以使机器入在低速时实现良好的机动和定位。胸鳍运动与水动力分析是歼发这类枫器胸鳍的基础研究，可以为机器胸鳍的设计与优化提供重要的依挺。网时也为控制系统的变量选择提供参考依据。1 7 论文研究的主要问题本论文研究的主要问题是粘性流场中鱼类胸鳍的水动力性能计算，分析鱼类胸鳞的运动机理，得到提供推进和机动力的涡结构的形成和演化。采用先进的c f d 软件- f l u e n t 对仿鱼胸鳍推进系统进行水动力计算分析，并利用其强大的后处理功能分析充分发展流场中胸鳍周围的流场结构，进而研究胸鳍的运动机理。针对剐性胸鳍建立了二自出度、三自由度的运动模型，在此基础上采用f l u e n t 软件的二次开发功能计算分析了刚性胸鳍在非定常流动中的水动力性能，主要内容为：1 ) 首先根据粘性流体力学、计算流体力学的相关知识，选取相应的计算模型、差分格式以及采用动网格技术模拟了胸鳍的运动规律，计算了胸鳍的水动力系数。所得结果与理论计算、实验结果相比较，验证方法的准确性和可靠性；2 ) 计算分析? 困l 性胸鳍二自南度运动模型随雷诺数、壁面条件、相缀差和振幅变化情况下的水动力性能，重点分橱了相位差和振幅变化后脾鳍作耦合运动时尾流场的扰动变化情况，得出了今后该课题研究过程中需重点研究的状态；3 ) 计算分析了刚性胸鳍三自由度运动模型的水动力性能进行了初步研究和分析讨论，并与二自由度运动模型进行了比较分析。哈尔滨丁群大学研究生学位论文u l li i2 ， 引言第2 章刚性胸鳍运动机理研究目前，对于胸鳞的研究方法主要有：实验研究和理论研究。实验研究主要是根据胸鳍的尾流场中的速度分椎来计算水动力。理论研究主要有面源法、涡格法等，但是无论用何种方法都要涉及到胸鳍的运动模式。从运动学角度来研究胸鳍的瞩颔型模式( 1 a b r i f o r mm o d e ) 运动，目前认为有三种：1 ) 高速时基于升力( 1 i f t - b a s e d ) 的振翅运动；2 ) 低速时基于阻力( d r a g b a s e d ) 的摆动运动；3 ) 基于加速度反作用力模式。本章研究的是基于阻力的摆动运动、采用的主要方法是利用f l u e n t 软件的提供的动网格技术来实现廷l 性胸鳍的二自出度运动规律，计算分析其水动力性能、进行机理研究。1 9 9 2 年a z u m a 口引提出了鳍的运动像鸟类一样，有以下四种基本运动组成：上下拍翼、前后拍翼、摇翼、翼展伸缩。鳝的任何复杂运动可以有这四种基本运动合成。刚性胸鳍不考虑翼展方向的运动，只有下面的三种运动，如图2 1 。辩瑶携髯嚣鼍_ 一。卜曩”，? ，。、5 “，+ 一_ _ ，。土下掐鼗“h 。：置，“。+ j 。# t 。图2 1 刚性胸鳍的三种基本运动本章主要采用采用非结构化网格，用解压力藕合方程的半隐式法( s i m p l e 算法) 以及结合f l u e n t 软件的提供的u d f ( u s e rd e f i n e df u n c t i o n ) 娃2 1 功能对无界流场中的刚性胸鳍的水动力性能进彳亍计算，并将计1 2哈尔滨掣人学研究生学付论文算结果和曹庆明，n k a t o 的结果进行比较，验证动例格程序的准确性。2 2 坐标系统2 2 1 运动坐标系定义随体坐标系d 。一”，z ”与惯性坐标系0 一x y z ，如图2 1 ，惯性坐标系原点0 选在胸鳍和鱼体的连接点处，o x 由鱼的尾部指向鱼的头部，迎着来流，o y 指向鱼体外侧，o z 垂直向下。随体坐标系d 一x ”，z ”原点d 。取在胸鳍摇翼运动时的转动轴与胸鳍外侧的交点处，0 与d 点的距离为l ，d 。x “垂直于胸鳍，d 】，”为胸鳍摇翼时的转动轴，d z “垂直于0 x ”、d y “，o y 为0 。】，”在x o y 平面上的投影，惯性坐标系与随体坐标系均遵守右手螺旋法则。其中o z 。为随体坐标系下垂直于转动轴d y - 的标志轴。zo图2 2 胸鳍运动的坐标系统根据坐标系统以及刚性胸鳍运动的规定，定义前后拍翼运动的前后拍翼角九，上下拍翼运动的上下拍翼角如及摇翼运动的摇翼角矽删，u 为来流1 32 。2 。2 坐标系的转换g ，y ，z ) 为惯性坐标系下的坐标，x n9 夕”，z “) 为随体坐标系下的坐标，随体囝= i 要兰乏e 兰交嚣0y 支c s o ；, , - c s 警i n # t i x 3 一艄( 茎 = 歹 量j 一 兢摇冀运动的摇翼角；氐上下拍翼运动的上下拍翼角。2 3 胸鳍的普遍运动模型( 2 一王)假设刚性胸鳞瞬间由静止到具有角频率，根据3 1 节a z u m a 的分解和坐标系，则胸鳍运动参数的定义如下：1 4哈尔滨t 张人学研究牛r 学付论文九= 九c 一矽m c o s ( o ) 砌，)牵 ：= 一牵啊c 一多认c o s ( o ) t + 厶争f e 、 2 2 、母h j = 咖q c + 审q c o s ( ( ) - t + 孛h 、其中：九，为前后拍翼角的平均值，为摇翼角的平均值，办为上下拍翼角的平均值。办、九分别为上下拍翼角办仉、摇翼角咖州和前后拍翼角丸的幅值。艘，如为相位差。2 4 角速度的转换为了在f l u e n t 中的实现刚性胸鳍的运动规律，根据f l u e n t 提供的u d f ( u s e rd e f i n e df u n c t i o n ) 功能的需要，结合胸鳍的普遍运动规律，下面简要介绍一下角速度的转换。历，在三个方向上的速度可由( 2 2 ) 式直接求导并分解得到，历，三个方向的角速度分别为：c o 。= 缈肛- c o s ( 九) 一a y y 一c o s ( # f l ) s i n ( # l )云y t o 肛s i n ( 矽l ) + 云旷c o s ( 虹) c o s ( 九)历产历启+ 一c o s i n ( 矽y l )- 盼= 百d o f f = 删s 耐o j f i n t + a ( 2 3 )葛& ，= d o 赶q = 一争f l c o f i n c o s ( o i n ，l + 牵f l 、)历鲈警= 矽1 , 4 ( o f i n s i n ( ( - o t t o t )公式( 2 3 ) 中的一0 9 。、荔y 、历：得到后就可以编写u d f 程序中需要的基本元素，为进一步的求解做保证。2 5 二自由度运动模型及胸鳍的计算模型二自由度运动胸鳍通过做前后拍翼运动和摇翼运动的耦合运动而产生推力，本节主要介绍其运动规律、计算中三维胸鳍的模型及尺度、计算区域哈尔滨一f 程大学矮突生学待论文的范围及网格划分的情况。2 5 ，1 二自由度运动模型i 矽 = l c 一妒“c o s ( g - ) f i n ，)争磁i = 一手f 一妒滢泌c o s ( ( 9 算n l a 多e e )( 2 - 4 、)【矽，仉= o其中：九。、东跃。、幻、丸、a 懿的定义为2 3 节中的定义方式。参考n k a t o 教授的数值算法中参数的选择，得到图2 3 中显示的胸鳍在二自由度运动模型下九、丸嚣在一个周期内的变化情况。建图2 3 丸、删一个周期内的波动形状2 5 。2 胸鳍模型以及计算区域”为验证动网格程序的正确性，采用n k a t o 的二自幽度运动胸鳍作为计算模型。2 5 2 。1 胸鳍的尺度计算中采用的胸鳍如图2 。4 所示，胸鳍的大小尺寸为：胸鳍弦长c 为1 5 5 m ，展长h 为1 8 8 m ，厚度：弦长的1 。1 6a 胸自迎着米流b 胸鳙空间角度围24 胸鳍25 22 计算区域的大小根据胸鲭作：自由度运动的基本原理，将该计算区域选择为立方体区域，考虑为使流场充分发展的需要，并月经过大量的演算，在图22 坐标系统下该立方体区域的大小为：x 方向：6o m x 2 o my 方向：。2o m ( y 4o mz 方向：25 m z 2 5 m2 5 23 网格的划分情况网格的划分是在g a m b i t 软件中进行划分的g a m b i t 软件提供了强大的网格划分格式，下面将介绍本计算模型在胸鳍表面和计算区域采用的网格形式。胸鳍表面网格如图25 所示，图2 6 显示了胸鳍的计算区域内的网格。胸鳍表面网格的划分采用的是三角形的非结构化的网格格式，为了更好的描绘胸鳍附近的未涡脱落和变化特性，仿照在计算机翼水动力性能对表面网格进行了一定的处理，得到的表面网格质量如图2 5 所示。计算区域网格的划分包括胸鳍表面的网格划分、计算区域外边界面元网格的划分、空问区域的戈u 分三部分。本计算区域为长方体区域，考虑到该计算网格以后要用于动网格程序，因此在外边界面元上个网格划分仍采用三角形的非结构化的网格格式，空间区域的网格单元格式为t e t h y b r i d ，网格类型为t g r i d 。兰玺鋈；：垒查茎至窑告：釜鲨苫a 胸鳍表面网格迎着来流b 胸鲭表面网格空间角度图2 5 胸鳍表面网格2 6 数值求解过程图2 6 计算区域内的网格2 6 1 推力、升力、侧向力系数求解的基本理论取图2 1 所示的坐标系统，结合刚性胸鳍的二自由度运动规律以及f l u e n t 的求解原理，应用r c 平均n s 方程，求得胸鳍表面的压力分布以后，哈，j ：滨一r ：稃大学研究生掌忙论文水翼的推力系数c 。，升力系数c ：及侧向力系数c 。可利用下式计算：e 姜高杀n x d s5 )，yc = l _ i 1 d s( 2 6 )。3 1 2 p s v , 。j2。c yi , p i 舔( 2 7 式中：p 是水的密度，为参考速度，s 物体的迎流面积，p = 鼻一只为水翼表丽的相对压强，壹f l u e n t 直接计算给出；t t d s 的值出其提供的函数xf a c ea r e a ，yf a c ea r e a ，zf a c ea r e a 计算而得。2 。6 ，2 二自由度运动模型中参数的选择参考n k a t o 教授和赖伟成、曹庆明的计算过程采用如下的参数设置：定义无因次频率后：尼= c 缈砌u( 2 8 )计算时取固定坐标原点与动坐标的距离l 为1 8 8 m 。无因次频率为4 。其中公式( 2 4 ) 中舷、丸、都为3 5 度，为6 0 度。入流速度为l m s 。2 。6 3 边界条件的设定计算区域的入豳处采用速度入鄹条件，鄹给定速度的大小和方向；计算区域的出豳处采用自由出流条件，即对于速度与压力未知的出口边界，该边界处的流动是完全发展的，出流面上的流动情况由区域内部外推得到，且对上游流动没有影响；刚性胸鳍表面采用固壁面条件。2 。6 4 计算模式与控制参数的选择该处所讨论的计算模式与控制参数主要是针对基于有限体积法的控制方程的离散格式，以及基于s i m p l e 算法的流场数值计算方法。2 6 4 。1 求解器的选择选择基于压力方程的求解器( p r e s s u r eb a s s e ds o l v e r ) ，它是基于压力1 9哈尔滨t 程火字：硼l 究牛学位论文方程进行求解控制方程即一s 方程。基于控制方程的非线性、耦合性并且计算结果必须收敛于一点，因此在得到收敛解之前，要经过多轮迭代。该求解器基本法则是顺序地、逐地求解各方程。也就是先在全部网格上解出一个方程( 如“动量方程) 后，然后解另外一个方程( 如v 动量方程) 。2 6 4 2 计算方案的选择在该解器中，要想办法将离散的非线性控制方程线优化为在每一个计算单元中相关变量的方程组，为此采用隐式( i m p l i c i t ) 方案，对于给定变量，单元内的未知量用临近单元的己知和未知值计算。因此，每个未知量会在不止一个方程中出现，而且每一个单元内的未知量的方程只需解一次就可以得到未知量的值。由于计算中胸鳍的运动是周期性的运动，因此在计算过程中需要考虑时间的影响，因此采用一阶隐似非定常的时间格式。2 6 4 3 湍流模式选择在计算过程中为了是计算结果更加符合胸鳍做真实运动时特性，根据资料分析和大量试算的基础上，对于本计算过程采用r n gk s 模型。在边界层处采用标准的壁面函数进行处理，该模式下的参数设置取默认的系数设置，通常为：c 。取0 0 8 4 5 ，c 1 一e p s i o n 取1 4 2 ，c 2 一e p s i o n 取1 6 8 。2 6 4 4 控制方程离散格式和欠松弛因子选择由于控制方程离散格式的选取以及s i m p l e 算法中欠松弛因子的选取对性能和计算结果有比较大的影响，根据改课题的研究对象，计算中收敛速度的合理性和快速性，对于r n gk 一占模型，对动量u 、v 、w 方程以及湍动能后方程和耗散率占方程使用q u i c k ( q u a d r a t i cu p w i n di n t e r p o l a t i o no fc o n v e c t i v ek i n e m a t i c s ) 迎风离散格式，压力插值方式采用标准方式。同时，欠松弛因子是分离求解器所使用的一个加速收敛的参数，用于控制每个迭代步内所计算的场变量的更新。在f l u e n t 中为这些欠松弛因子提供了默认值，即压力、动量、k 和s 的默认欠松弛因子分别为0 2 ，0 5 ，0 5 和0 5 。在基础研究过程中，没有对这些进行修改。2 0呤匀；滨t ：程大学研究生学位论文2 6 5 设置求解过程的监控参数在求解过程中，通过检查变量的残差，动态地监视计算的收敛性。残差是网格各个边界的通量之和，当收敛后，理论上当单元内没有源项使各个面流入的通量也就是对物理量的输运之和应该为零。最大残差反映流场与所要模拟瀛场的差距：残差越小越好，南予存在数值精度问题，不可能得到g 残差，对于单精度计算一般应该低于初始残差1 1 0 叼以下即可。在本阙题中，对流态的连续性、流体质点的速度分量、淌动能k 秘耗敖率g 的残差设为1 1 0 一。至此，即可进行流场迭代计算。2 6 6 动网格技术在三维非结构网格中的实现陉3 1用弹簧近似原理实现了三维非结构网格的变形移动。所采用的方法是以网格变形为基础，根据翼边界运动的苛刻程度以及位移大小，适当加入光滑操作，般就可以得到较满意的动网格实现。这样，网格数保持不变，无需大范围插值，保证了计算的精度，而且方法简单，计算效率高。f l u e n t 采用的网格变形方法为弹簧近似法。该方法是将非结构网格的整个区域或部分区域看作一张具有弹性的网，每个面都看俸是一根独立的具有倔强系数的弹簧，于是节点i ，j 问的弹簧张力为易= k $ b ，一x ；j( 2 9 )其中k 打为连结节点f ，的位置矢量。认为移动后网格点的位置满足各点在初始状态的受力情况，即易= 墨( 2 一l o )，s 为初始状态时点f 所受的合力，求和对所有与节点z 相连的节点进行。在求解中过程中，需要同时注意参数选择