鲔科鱼类出水运动模拟及其换能机制研究

Aiming at the existing facts that the mechanism of the porpoising movement is not yet clear and the robotic fish is still confined to the underwater three-dimensional swimming, this project carries out a study on the mechanism of the porpoising movement (that means jumping out of the water) and its transducer mechanism to achieve the purpose of expanding the movement space of the current robotic fish. First, the timing kinematic model for the fish porpoising movement should be established. On the basis of the full consideration to the underwater swimming and the air gliding involved in the hydrodynamics and aerodynamics problems during the porpoising process, the dynamic coupling algorithm is put forward for fish swimming in the gas-liquid two phase medium by modeling the calculation of hydrodynamic and aerodynamic respectively. And then the dynamics of the fish porpoising movement can be simulated successfully to reveal the mechanism. Second, through the establishment of a reasonable evaluation of the energy function, the mechanism of the energy conversion is revealed by study the energy changes undergoing the fish swimming with the different posture in the whole porpoising process. Once again, according to the mechanisms of the porpoising movement and its transducer, a rational bionic bodies can be designed and the corresponding experimental platform must be set up to verify the correctness of the theory and numerical simulation results to further improve the accessibility of the movement space for the robotic fish. The results of this project will provide a solid theoretical basis and key technologies for the future development of the underwater vehicles and the near surface weapon systems that can achieve the porpoising movement.

针对目前鱼类的出水运动机理尚未明晰且现有仿生机器鱼仍局限于水下三维游动的事实，开展鲔科鱼类出水运动机理及其换能机制研究，以期达到拓展机器鱼的运动空间的目的。首先，建立鱼体出水运动的时序运动学模型，在充分考虑鱼体出水运动过程中的水下游动和空气中滑翔所涉及的水动力学和空气动力学问题的基础上，分别建立水动力和空气动力的计算模型，提出鱼体在气-液两相介质中游动的动力学耦合算法，进而模拟鱼体出水运动的动力学过程，揭示其出水运动机理；其次，通过建立合理的能量评价函数，研究鱼体以不同运动姿态游动时的能量变化情况，揭示其出水运动过程中的能量转换机制。再次，根据出水运动机理及其换能机制，设计合理的仿生机构，搭建实验平台，验证理论和数值模拟研究结果的正确性，进一步提高机器鱼水上运动空间的可达性。本项目的研究成果将为今后开发可实现出水运动的水下运载器和近水面武器系统提供坚实的理论依据和关键技术。

针对目前鱼类出水运动机理尚不明晰且现有机器鱼仍局限于水下三维游动的事实，开展鲔科鱼类出水运动模拟及其换能机制研究，建立鱼体出水运动的动力学模型，依据提出的出水运动数值求解方法，模拟鱼体出水运动的动力学过程；通过建立合理的能量评价函数，揭示出水运动过程的能量转换机制。为拓展机器鱼的水上运动空间，开发可实现出水运动的水下运载器提供理论依据。本项目的主要研究内容如下：.(1) 建立了以鲔鱼为代表的鲔科鱼类出水运动的运动学和动力学模型，将鲔鱼出水过程分为水下加速游动段、出水瞬间段、空中滑翔并调整姿态段、入水瞬间段和再次水下加速游动段五个阶段，分别建立了鲔鱼域的动力学方程和流体域的控制方程。.(2) 提出了一种鱼体出水运动的数值求解方法，通过求解流体域的控制方程得到流体的作用力和作用力矩，将其作为外力求解鲔鱼的动力学方程，得到其出水运动性能，实现鲔鱼与流体的相互作用过程。通过模拟圆柱受浮力驱动出水的算例，验证了方法的有效性。.(3) 对鲔鱼以不同攻角出水运动进行了数值模拟，求解鱼体和流体相互作用的动力学方程，获得了鲔鱼出水过程中速度和作用力的时间历程规律，研究了出水运动参数对鲔鱼出水运动性能的影响规律。.(4) 构建了鲔鱼出水运动中的能量评价函数，包括出水过程中鲔鱼从流体中获得的动能和势能函数，鲔鱼水下游动克服流体作用消耗的能量函数以及出水和入水瞬间消耗的能量。进一步研究了鲔鱼出水运动参数对能量的影响规律，揭示了出水过程中的转能机制。.(5) 提出了鱼体游动与流体相互作用的分块耦合方法，将鲔鱼出水运动的计算区域划分为鱼体域、流体域和交界面域，分别建立各个子域的控制方程，采用分块耦合法实现了鱼体和流体的交互过程，并通过鲔科鱼类水下游动的实例验证了方法的有效性。.(6) 揭示了鱼体游动与流体相互作用的机理，分别研究了头部摆动运动、身体波动运动和尾鳍拍动运动等运动学对鱼体水下游动性能的影响规律，获得了鱼体各个组成部分对自身游动性能的贡献度大小，为开发新型机器鱼和水下推进技术提供科学依据。.基于上述研究内容，本项目发表标注项目号(NSFC 51205060)的相关学术论文10篇，其中SCI收录4篇，EI收录8篇，参加机器人领域国际会议4人次。培养博士研究生2名，已毕业1名，学位论文已送审1名，硕士研究生3名，均已毕业。