鲹科鱼类游动力学特性的理论与仿真研究

论文摘要

目前,仿鱼水下推进器已成为仿生科研领域的一个研究热点,其中仿鲹科模式的水下推进器由于具备能源利用率高,推进速度快,适于长时间、大范围的水下作业等特点,成为研究的重点。仿鱼水下推进技术对海洋考察、救生以及军事领域具有很高的应用价值。本课题依托国家自然科学基金项目“仿鱼鳍水下推进器的理论与实验研究”,开展了对鲹科模式鱼类游动力学特性的基础理论研究。本文将整个鱼体分为身体及尾鳍两大部分,对身体部分进行水下行进阻力特性研究。将身体简化为具有流线形轮廓的回转体,以平板绕流模型的基本思想为出发点,推导了流线形体在层流和湍流两种流态下的摩擦阻力计算公式,在二维流场的条件下分别对卡克斯流线型,半椭圆+抛物线流线型以及双半椭圆流线型三种较具代表性的流线型轮廓进行了阻力特性研究,并通过对比分析得到了具有相对较好的行进阻力性能的流线型所应具备的轮廓特征,在此基础上,对两组变几何参数的流线形体进行了三维流场的行进阻力特性研究,通过对压差阻力,摩擦阻力,总阻力以及总阻力系数的分析,得到了形体轮廓几何参数的变化对行进阻力性能的影响。对尾鳍部分进行了水动力特性研究,首先对尾鳍进行了运动参数的数学建模,应用动网格技术进行了尾鳍水动力的二维流场仿真研究,通过提取尾鳍推进力,侧向力以及转矩,计算了尾鳍的平均推进力以及平均推进效率,并在此基础上进一步探讨了变最大击水角度以及变相位差对水动力性能的影响。然后对尾鳍轮廓进行曲线拟合,并对其进行了三维流场的水动力特性研究,分析了尾鳍几何参数的变化对水动力性能的影响。最后根据流场的图像信息对尾鳍的水动力特性进行了定性探讨。流场建模以及预处理软件采用Gambit,数值求解软件采用专业计算流体力学软件Fluent,数据处理及可视化软件采用Matlab。本文通过对鱼体水下行进阻力以及尾鳍水动力机理方面的研究,为后续仿鱼水下推进器的研制以及试验研究提供了理论依据,具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 鱼类游动的分类及特点
• 1.2.1 鱼类游动模式的分类
• 1.2.2 鲹科鱼类推进模式的特点
• 1.3 仿鱼水下推进技术研究概况
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.3.3 仿鱼推进模式力学性能的研究概况
• 1.3.4 目前研究的不足之处及需要解决的问题
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 第2章 形体二维流场阻力特性研究
• 2.1 摩擦阻力与压差阻力
• 2.2 流线型回转体摩擦阻力公式的得出
• 2.3 流线型回转体轮廓方程的提出
• 2.4 网格划分以及边界条件的设定
• 2.5 二维流场的仿真计算
• 2.6 形体的阻力性能分析
• 2.7 本章小结
• 第3章 形体三维流场阻力特性研究
• 3.1 流线型的几何参数
• 3.2 三维建模，网格划分及边界条件设定情况
• 3.3 三维流场仿真计算
• 3.3.1 d/l系列流线型阻力特性研究
• 3.3.2 le/l系列流线型阻力特性研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 尾鳍二维流场水动力特性研究
• 4.1 尾鳍运动参数及其表达式的推导
• 4.2 尾鳍水动力二维流场仿真研究
• 4.2.1 动网格模型简介
• 4.2.2 尾鳍动网格模型的建模及处理
• 4.2.3 尾鳍水动力性能指标
• 4.3 尾鳍水动力特性分析
• 4.3.1 平均推进力以及平均推进效率
• 4.3.2 尾鳍运动参数α与φ寻优
• 4.3.3 α与φ对水动力性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 尾鳍三维流场水动力特性研究
• 5.1 尾鳍轮廓及其几何参数表达式
• 5.2 流场建模以及前期处理
• 5.3 尾鳍水动力特性分析
• 5.4 流场的图像信息显示
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢