鱼体利用流场能量的推进行为及游动轨迹规划研究

论文摘要

目前,仿鱼机器人已成为仿生学领域的一个研究热点,相比其他的传统水下推进器,其具有能源利用率高,推进速度快,适于长时间、大范围、较复杂工况的水下作业等特点。仿鱼机器人在海洋生物考察、海底勘探、救生以及军事领域具有很高的应用价值。本课题依托机器人技术与系统国家重点实验室自主研究课题“鱼体利用流场能量的推进行为及新型仿鱼机器人的研究”,开展了对鲹科模式鱼类利用流场能量的推进行为和游动轨迹规划研究。本文从主动、被动两个方面研究了鱼体如何利用卡门涡街流场的能量。通过分析流场参数和鱼体运动参数之间的关系,确定了卡门涡街流场中影响鱼体游动性能的5个主导参数,包括:来流速度,圆柱直径,鱼体与圆柱中心距离,鱼体波波长和幅值。并从这5个参数入手,主动控制鱼体在涡场中游动的方式,分析其对鱼体利用卡门涡街流场能量行为的影响。提出了鱼体自主游动的轨迹规划算法,运用该算法证实了鱼体可以通过被动的感受流场能量实现逆流前行这一现象。并且分析了卡门涡街流场中鱼体处于圆柱后端不同位置时出现的3种运动模式,从理论上解释了出现不同运动模式的原因。在鱼体利用前鱼尾迹流场能量的研究中,首先分析了鱼体尾部幅值、波长、频率和来流速度对尾涡分布的影响。提出了判断了尾迹不同性质涡街的斯特鲁哈尔数标准。在双鱼游动中,通过改变波长、频率、相位差、纵向距离以及横向距离,分析这些参数对后鱼游动性能的影响,并与单鱼游动时鱼体的游动性能相比较。对比结果表明,双鱼串列有利于流体阻力的减小,三角形阵列是鱼类群游的最佳队列方式。本文通过计算流体力学数值模拟的方法,获得了鱼体在卡门涡街和逆卡门涡街流场中高效游动的运动规律,探讨了鱼体与流场间能量的交互作用,为后续仿生机器鱼的研制及其运动控制提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 鱼类推进模式的分类和特点
• 1.2.1 鱼类推进模式的分类
• 1.2.2 鱼类推进模式的特点
• 1.3 仿鱼机器人的研究意义及特点
• 1.4 仿鱼机器人技术的研究概况
• 1.4.1 鱼类推进机理的研究
• 1.4.2 仿鱼推进样机的研究
• 1.5 目前研究的不足之处及需要解决的问题
• 1.6 本课题的主要研究内容
• 第2章 卡门涡街流场结构及流体流动状态分析
• 2.1 卡门涡街概述
• 2.2 流场及鱼体运动参数的确定
• 2.2.1 卡门涡街流场数值仿真实验环境
• 2.2.2 流场参数的确定
• 2.2.3 鱼体运动参数的确定
• 2.2.4 流场参数与鱼体运动参数的关系
• 2.3 卡门涡街流场结构分析
• 2.4 圆柱后端中心线上流体速度分析
• 2.4.1 圆柱后端中心线上流体速度的变化
• 2.4.2 不同来流速度下中心线上流体速度分析
• 2.4.3 不同直径下中心线上流体速度分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 卡门涡街流场中鱼体的主动涡控制研究
• 3.1 鱼体主动涡控制的游动轨迹规划
• 3.1.1 鱼体主动涡控制的思想综述
• 3.1.2 鱼体游动性能的评价参数
• 3.2 相位差变化对鱼体游动性能的影响
• 3.2.1 涡强叠加分析
• 3.2.2 游动性能分析
• 3.2.3 相位差与鱼体启动时间及鱼体与圆柱距离之间的关系
• 3.3 来流速度的变化对鱼体游动性能的影响
• 3.4 圆柱直径和鱼体质心幅值的变化对鱼体游动性能的影响
• 3.4.1 圆柱直径变化对鱼体游动性能的影响
• 3.4.2 质心幅值变化对鱼体游动性能的影响
• 3.4.3 圆柱直径与鱼体质心幅值的关系
• 3.5 鱼体波波长的变化对鱼体游动性能的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 卡门涡街流场中鱼体被动利用流场能量行为的研究
• 4.1 鱼体自主游动轨迹规划
• 4.1.1 鱼体自主游动的基本思想
• 4.1.2 鱼体运动描述的坐标系转化
• 4.1.3 鱼体自主游动的求解步骤
• 4.1.4 鱼体自主游动计算实例
• 4.2 静场中鱼体自主游动速度的参数化分析
• 4.2.1 频率对鱼体游动速度的影响
• 4.2.2 波长对鱼体游动速度的影响
• 4.2.3 幅值对鱼体游动速度的影响
• 4.3 自由来流和卡门涡街流场下鱼体自主游动状态的比较
• 4.4 卡门涡街中鱼体被动利用流场能量的三种运动模式
• 4.5 本章小结
• 第5章 鱼体尾迹涡街结构研究及单鱼游动性能分析
• 5.1 鱼体尾迹涡街简介
• 5.2 单鱼模型的数值仿真实验环境
• 5.3 尾部幅值对尾迹涡街结构和单鱼游动性能的影响
• 5.3.1 尾部幅值变化下尾迹涡街的分布
• 5.3.2 尾部幅值对单鱼游动性能的影响
• 5.4 波长变化对尾迹涡街结构和单鱼游动性能的影响
• 5.4.1 波长变化下尾迹涡街的分布
• 5.4.2 波长对单鱼游动性能的影响
• 5.5 频率变化对尾迹涡街结构和单鱼游动性能的影响
• 5.5.1 频率变化下尾迹涡街的分布
• 5.5.2 频率对单鱼游动性能的影响
• 5.6 来流速度对尾迹涡街结构和单鱼游动性能的影响
• 5.6.1 来流速度变化下尾迹涡街的分布
• 5.6.2 来流速度对单鱼游动性能的影响
• 5.7 本章小结
• 第6章 鱼体利用前鱼尾迹涡街能量行为的研究
• 6.1 双鱼模型的数值仿真实验环境
• 6.2 波长的变化对双鱼游动性能的影响
• 6.2.1 不同波长下单、双鱼游动性能的比较
• 6.2.2 不同波长下前、后鱼游动性能的比较
• 6.2.3 流场结构分析
• 6.3 鱼体波动频率的变化对双鱼游动性能的影响
• 6.3.1 不同频率下单、双鱼游动性能的比较
• 6.3.2 不同频率下前、后鱼游动性能的比较
• 6.4 两鱼之间相位差变化对后鱼游动性能的影响
• 6.5 两鱼之间纵向距离变化对后鱼游动性能的影响
• 6.6 两鱼之间横向距离的变化对后鱼游动的影响
• 6.6.1 前鱼尾迹流体速度分析
• 6.6.2 不同的横向距离下后鱼的游动性能分析
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢