粘性流场中鱼类胸鳍的水动力分析

论文摘要

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—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—斯托克斯(RANS)方程的商用CFD软件FLUENT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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 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
• 1.2.2 MPF推进的分类及相关研究
• 1.2.3 MPF推进的机理研究
• 1.3 胸鳍游动机理的实验研究
• 1.3.1 利用DPIV技术进行实验研究中的方法
• 1.3.2 直接测量鱼体运动实验方法
• 1.4 胸鳍游动机理的理论研究
• 1.5 国内外仿胸鳍推进的水下机器人
• 1.6 论文的研究背景及意义
• 1.7 论文研究的主要问题
• 第2章 刚性胸鳍运动机理研究
• 2.1 引言
• 2.2 坐标系统
• 2.2.1 运动坐标系
• 2.2.2 坐标系的转换
• 2.3 胸鳍的普遍运动模型
• 2.4 角速度的转换
• 2.5 二自由度运动模型及胸鳍的计算模型
• 2.5.1 二自由度运动模型
• 2.5.2 胸鳍模型以及计算区域
• 2.6 数值求解过程
• 2.6.1 推力、升力、侧向力系数求解的基本理论
• 2.6.2 二自由度运动模型中参数的选择
• 2.6.3 边界条件的设定
• 2.6.4 计算模式与控制参数的选择
• 2.6.5 设置求解过程的监控参数
• 2.6.6 动网格技术在三维非结构网格中的实现
• 2.7 计算结果分析
• 2.7.1 fluent计算结果
• 2.7.2 与曹庆明、N.Kato的计算结果比较
• 2.7.3 计算得到的胸鳍的表面压力和尾流场分析
• 2.7.4 网格数量的影响
• 2.8 本章小结
• 第3章 运动参数对胸鳍水动力性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 雷诺数改变情况下胸鳍的水动力性能分析
• 3.3 壁面条件改变情况下胸鳍的水动力性能分析
• 3.4 相位差改变情况下胸鳍的水动力性能分析
• 3.4.1 相位差为45度时水动力分析和尾涡讨论
• 3.4.2 水动力性能随相位差变化情况分析
• 3.5 振幅改变情况下胸鳍的水动力性能分析
• 3.5.1 频率f=0.4时水动力分析和尾涡讨论
• 3.5.2 水动力性能随振幅变化情况分析
• 3.5.3 分析讨论
• 3.6 本章小结
• 第4章 刚性胸鳍三自由度运动的水动力分析
• 4.1 引言
• 4.2 三自由度运动模型及胸鳍的计算模型
• 4.2.1 三自由度运动模型以及计算参数的选定
• 4.2.2 胸鳍的计算模型和计算区域的选择
• 4.3 计算结果分析
• 4.3.1 计算结果
• 4.3.2 胸鳍的表面压力和尾流场分析
• 4.3.3 结果分析对比
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢