考虑流固耦合作用的仿生胸鳍水动力性能分析

The oscillating caudal fin is usually used for the propulsion of the bionic underwater vehicle. However, only with the help of pectoral fins, agile maneuver and arbitrary gesture-control can be achieved. In nature, many kinds of fish finish maneuver such as suspension, forward and backward movement by complex motion of pectoral fins. Presently, the researches on the underwater bionic propulsion are focused on caudal fins, and however, the number of studies that have examined the hydrodynamic performance and propulsion mechanism of pectoral fins is limited. Additionally, the researches on biologically inspired pectoral fins are mostly restricted to rigid pectoral fins or assumed flexible deformation modes. So the research on the hydrodynamic performance and propulsion mechanism of pectoral fins and the discussion on agile maneuver of bionic underwater vehicles by pectoral fins are not only theoretically significant but also practically valuable. The project will independently develop a CFD code based on the immersed boundary method and set up a solution system for fluid-structure interaction to study the hydrodynamic performance and propulsion mechanism of rigid and flexible pectoral fins. The technique of PIV is applied to measure and analyze the wake of the pectoral fin by use of the pectoral fin propulsive experimental platform. The project will lay the technological groundwork for the development of the highly maneuverable bionic underwater vehicle.

仿生水下机器人以摆动尾鳍推进，配合胸鳍才能实现灵活的操纵和自身姿态的随意控制。大自然中许多鱼类利用运动复杂的胸鳍进行操纵，可很好地实现悬浮、前进和倒退。现国内外对水下仿生推进的研究工作多集中于尾鳍方面，而对于胸鳍的研究较少，且多局限于刚性胸鳍或假定的柔性变形模式，大多数研究采用通用CFD软件实现数值模拟。因此基于自主开发的CFD计算软件，深入研究考虑流固耦合作用的仿生胸鳍的水动力性能和推进机理，具有重要的理论意义和实际应用价值。 本项目拟自主开发基于浸入边界法的计算流体力学代码并建立流固耦合问题求解方法，研究刚性和柔性胸鳍的水动力性能与推进机理，并研制仿胸鳍推进系统的试验装置，利用PIV技术观测和分析胸鳍的尾流场，利用数值模拟和试验观测手段探讨尾涡结构与水动力性能的关系，为仿生胸鳍在水下航行器上的应用提供技术支撑。

鱼类等水生动物拥有快速、高效和灵活游动的能力，这正是仿生水下机器人所不断追求的目标。目前，仿生拍动翼和摆动尾鳍推进的水动力性能研究已经取得了很多有价值的成果。然而利用胸鳍的运动和变形来推进身体向前游动也有丰富的生物学基础，很多鱼将它们的胸鳍用于姿态控制、运动稳定化、产生推力等。当前对于胸鳍的研究多局限于刚性胸鳍或假定的柔性变形模式，胸鳍的尾涡结构及其与水动力的关系还有待仔细探讨，柔性变形对胸鳍推进性能的影响还远没有被理解。. 本项目提出一种改进的浸入边界法，并结合结构有限元程序构建流固耦合(FSI)求解系统，分析刚性和柔性胸鳍的水动力特性和推进机理，并建造仿胸鳍推进系统的实验装置，开展基于PIV技术的胸鳍尾流场测量，利用模拟和实验多手段研究流固耦合作用下仿生胸鳍的流体动力性能和尾涡结构，为高性能仿胸鳍推进系统的设计提供理论和参考依据。. 一个有效率的、健壮的浸入边界条件重建算法被开发，实现了在简单的笛卡尔网格上对胸鳍非定常绕流场的高效、精确数值模拟。就所提出的数值方法应用于若干标准算例及项目所关注胸鳍问题的模拟，与实验结果和他人计算结果对比分析验证了该方法及FSI求解系统的精确性和可靠性。研究结果表明：在动力划水阶段的高推力源于附着在胸鳍边缘的清晰而健壮的涡结构所诱导的低压区，以及鳍表面与来流之间较好的垂直度；将仿生胸鳍的柔性控制在一个合适的范围内可使柔性胸鳍的推力和推进效率均高于刚性鳍；通过系统的参数化分析为仿胸鳍推进建立了一个最优的斯特劳哈尔数范围，并发现了最优的多自由度耦合运动间的相位差；通过与拍动翼和真实胸鳍的比较研究揭示了胸鳍相对于拍动翼的优势所在，发现精心设计的柔性仿胸鳍推进器与真实胸鳍在推进性能上是可以相比拟的；基于PIV尾流场测量结果分析了胸鳍推力和升力随关键运动参数变化的内在机制，并发现柔性胸鳍的尾流与刚性鳍相比在展向方向更窄，胸鳍的柔性也在某种程度上简化了尾涡结构，从而提高效率。