波浪滑翔机水下牵引机结构设计与分析

为满足对远洋环境进行长时间、大范围监测的实际需求,设计提出一种波浪动力滑翔机,该设备是一种无需携带能源即可实现自主航行的新型海洋监测平台,其主体结构由水面母船、水下牵引机和柔性缆绳三大部分组成。平台通过即时获取海洋中的波浪能、太阳能、风能作为行走的动力源,克服了传统海洋监测设备在能源供应上存在的短板。为进一步提升水下牵引机对波浪能的利用率,采用Ansys软件中的Fluent模块对水下牵引机进行水动力仿真研究,分析了侧翼板形状、侧翼板工作最大摆动角度以及侧翼板安装分布间距对滑翔机总体行走效率的影响。结果表明:NACA翼型侧翼板具有更好的水动力性能;随着最大摆动角度的增加,水下牵引机的推进效率先增大后减小,最大摆角在20°左右时,推进效果最佳;随着侧翼板分布间距的增大,水下牵引机的推进效率逐渐减小,分布间距在80 mm左右时,推进效果最佳。     

仿生机器鱼尾鳍推进效率的多参数优化研究

仿生机器鱼作为一种高效、高机动的水下机器人,得到了科研人员的广泛关注,对BCF方式机器鱼尾鳍推进效率的研究是其中的重点方向。目前对尾鳍推进效率的优化研究,大多局限于尾鳍单一参数的优化,这与自然鱼类的游动状态相差甚远,因而不能真正达到推进效率最大化的目的。本文提出了尾鳍多参数优化方案,通过对尾鳍转动频率、摆动幅值、击水角度和摆动周期等参数的联合优化,得到一组特定游速下的参数值,结果表明本研究对象在游速0.6L m/s时(L为体长),数值计算推进效率为65.7%,仿真推进效率为64.3%的,均大于目前单一参数的优化结果,充分体现了尾鳍多参数配合的优越性。本文的研究,对提高仿生机器鱼的推进效率具有积极作用。     

柔性仿金枪鱼月牙形尾鳍水动力分析

为研究鱼类高速游动机理,以金枪鱼月牙形尾鳍为对象,采用面元法计算分析了其非定常水动力性能。假设尾鳍在横移和摇摆的同时,以某一匀速向前运动,并假设其在弦向和展向以某一给定规律发生变形,以模仿柔性变形。探讨了前进速度、横移和摇摆的幅度、频率及其相位差对柔性尾鳍推进性能的影响,并与做相应运动的刚性尾鳍进行了对比。     

柔性尾鳍推进装置的水动力计算

由于柔性尾鳍推进装置的水动力计算在理论和实际上涉及到许多复杂的问题,本文对装置的实验模型作了理论上的抽象和简化,并依据试验图谱,运用机翼理论和襟翼舵原理,建立了该装置的水动力数学模型     

AUV矢量推进水动力计算及水平回转操纵性试验

针对矢量推进模式下的 AUV 水动力性能和操纵性能，开展了 AUV 矢量推进水动力 CFD 计算， 对矢量推进水平回转操纵性进行了评估，加工了矢量推进样机，并进行湖上操纵性验证。理论计算和试验数据表明：矢量推进具备极高的低速操纵性，该研究为矢量推进在 AUV 上的应用提供了理论和技术基础。     

水下自主机器人水动力预报方法研究

针对水下机器人操纵性优化设计中水动力系数预报问题,在水下机器人水动力预报中引入艇体肥瘦指数概念,确定了水下机器人艇体几何描述的五参数模型。提出采用小波神经网络方法预报水下机器人水动力,确定了神经网络的结构,利用均匀试验设计方法,设计了神经网络的学习样本。研究结果表明,只要确定适当的输入参数,选择适当的学习样本和网络结构,利用小波神经网络方法对水下机器人水动力进行预报可以达到较好的精度。     

水下柔性鱼形机构原理及单尾鳍板水动力试验研究

柔性鱼形机构是模拟鱼类运动的一种仿生机械系统。对鱼类运动的观察与研究 ,实质上是寻求水域中最优推进形式的过程 ,是工程优化设计的途径之一。在研究及优化柔性鱼形机构时涉及到水动力学及控制模型的问题 ,因此取出鱼形机构的尾鳍部分进行敞水试验 ,既能为有关模型的建立提供依据 ,更重要的是对鱼形机构的可行性进行论证     

基于CFD船舶操纵性预报方法研究

基于CFD技术和重叠网格技术完成了黏性流场中KVLCC2船模的操纵性水动力导数的数值计算。为保证计算的精确性,进行了网格的收敛性分析,给出了合适的网格划分方法;通过数值模拟斜航运动、纯横荡运动和纯艏摇运动计算出的水动力与相应条件下的试验值对比,计算结果与试验值吻合良好,计算出的水动力导数准确度较高。基于MMG分离建模方法建立KVLCC2船模的操纵性数学模型,利用龙格-库塔算法求解微分方程组,对船舶操纵运动进行仿真。回转试验和Z形操舵试验的仿真结果与试验结果对比,其回转直径和轨迹都非常吻合,表明采用的船舶操纵性预报是可行的。     

仿鱼尾潜器推进系统的水动力分析

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景 ,对金枪鱼的月牙形尾鳍进行水动力分析。文中将金枪鱼的尾鳍处理为在做横移和摇摆的耦合运动的同时 ,以某一匀速向前运动的月牙形刚性尾翼。计算中应用了双曲面元和压力库塔条件 ,利用面元法计算分析该三维尾翼的非定常水动力性能。探讨了前进速度、横荡和摇首的幅度、频率及其相位差对推进性能的影响     

扁平型水下滑翔器水动力特性及滑翔性能研究

续航力与水平速度均是水下滑翔器的重要性能指标。采用单位重量滑翔器、单位水平速度所耗功率作为滑翔效率的评价指标，以一新型扁平型水下滑翔器为研究对象，利用 CFD 计算结合模型试验验证的方法获取了所需的流体动力系数，然后进行了滑翔运动分析及垂直面滑翔运动仿真计算，得到了最优滑翔运动参数。 建立的滑翔性能计算方法对扁平型水下滑翔器水动力性能设计及滑翔运动参数优化有着重要的应用价值。     

线驱动自主巡游机器人设计及试验研究

设计了一种拉线机构驱动的仿鱼型自主巡游机器人,阐述了其机械结构、电路系统及控制算法的设计方案,同时开展开敞水域试验对其游动性能进行研究。研究表明,在直行及转弯试验中,当摆尾频率相同时,随着尾鳍摆动幅度的增加,机器鱼的游动速度上升;当尾鳍摆动幅度相同时,随着摆尾频率的增加,机器鱼游动速度先升后降,且在0.60 Hz附近时达到峰值;在目标角度转向试验中,当摆尾频率及目标角度相同时,随着尾鳍摆动幅度的增加,机器鱼的角度响应时间逐渐减小;当尾鳍摆动幅度及目标角度相同时,随着摆尾频率的增加,角度响应时间先降后升;当摆尾频率及摆动幅度相同时,目标角度的增加会使得角度响应时间呈上升趋势。研究成果验证了该机器鱼平台的可靠性,为将来进一步理论研究及实际应用提供了一定的参考。     

仿生胸鳍的三维尾涡结构与参数影响分析

为研究仿胸鳍推进的机理和流体动力特性及缩小机器鱼与生物原型之间的性能差距,利用浸入边界法数值模拟了做耦合旋转运动胸鳍的非定常绕流问题。详细探讨胸鳍非定常运动的三维尾涡结构演化和推进机理,并开展胸鳍推进性能与尾涡结构的参数影响分析。结果表明:迎流面在背、腹侧边缘及鳍梢部显著涡旋结构的作用下所出现的低压力区,加之鳍表面和上游来流之间好的垂直度共同造成了在动力划水阶段的高推力;在恢复划水阶段的高升力与背侧边缘涡强度的持续增加,以及因鳍表面倾斜而引起的水动力被分解到竖直方向的比重提升有关;胸鳍尾流场被一个三维双环涡结构所支配;当前的模拟为仿胸鳍推进建立了一个最优的斯特劳哈尔数St范围(在0.55附近),在此之后平均推力仍随St的增大而增加,而推进效率则表现出一个缓慢降低的趋势;当前后拍动与纵倾运动之间的相位差为90度时,胸鳍同时取得最佳的推力和效率。     

仿鱼尾推进小型水下航行器设计与模型试验研究

以蓝鳍金枪鱼为蓝本,进行了仿鱼尾推进小型水下航行器方案设计与模型制作,包括设计主体外形、主体结构及安装形式、传动机构、尾鳍形状等。在水池中开展了自航实验,测定了尾鳍的摆幅、频率、形状及刚度对航速的影响,结果表明在相同条件下提高尾鳍摆动频率或增大尾鳍摆幅,能提高水下航行器的速度;当采用柔性尾鳍时,航行器的速度明显增加。     

Effect of caudal on hydrodynamic performance of flapping foil in fish-like swimming

In the present study the effect of caudal length on hydrodynamic performance of flapping foil is investigated. According to reality of swimming of fishes, the kinematics of their oscillation tail is involved with two rotational motions where one of them causes the tail to move in circular direction and the other leads the tail to pitch around its pitch axis. With this concept, a generalized kinematic model is considered. According to simulation of the motion trajectory of flapping foil, it is shown that the length of caudal may affect the hydrodynamic performance. It is shown that at lower and higher Strouhal numbers (St < 0.2 and St > 0.6) the hydrodynamic performance of flapping foil is optimum when the length of caudal is infinitive. It should be noted that at higher caudal length the variation of propulsive efficiency and produced thrust are stopped and these hydrodynamic parameters are kept at constant values. Additionally, it is demonstrated that there is the possibility of improving propulsive efficiency at moderate Strouhal numbers (0.2 < St < 0.6) by manipulation of caudal length. Furthermore, it is shown that in some cases the manipulation of caudal length may increase thrust coefficient as the propulsive efficiency is also increased.     

Structure, function, and neural control of pectoral fins in fishes

Fin-based propulsion systems perform well for both high-speed cruising and high maneuverability in fishes, making them good models for propulsors of autonomous underwater vehicles. Labriform locomotion in fishes is actuated by oscillation of the paired pectoral fins. Here, we present recent research on fin structure, fin motion, and neural control in fishes to outline important future directions for this field and to assist engineers in attempting biomimicry of maneuverable fin-based locomotion in shallow surge zones. Three areas of structure and function are discussed in this review: 1) the anatomical structure of the fin blade, skeleton, and muscles that drive fin motion; 2) the rowing and flapping motions that fins undergo for propulsion in fishes; and 3) the neuroanatomy, neural circuitry, and electrical muscle activity that are characteristic of pectoral fins. Research on fin biomechanics, muscle physiology and neural control is important to the comparative biology of locomotion in fishes and application of fin function for aid in aquatic vehicle design. Recommendations are made regarding fin propulsor designs based on the fin shape, activation pattern, and motion. Research on neural control of fins is a key piece in the puzzle for a complete understanding of comparative fin function and may provide important principles for engineers designing control systems for fin-like propulsors.     

波浪滑翔机推进装置翼片的启动阶段水动力学分析

波浪滑翔机直接利用波浪能实现大范围长距离的机动运动观测,在海洋环境观测中可以发挥重要的作用。本文对波浪滑翔机推进装置在启动阶段的翼片的水动力学行为进行了研究。以波浪滑翔机水下推进装置的翼片为研究对象,运用雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS),对给定垂荡和摆动运动的翼片水动力学进行了水动力分析和仿真,模拟了单个翼片、纵向阵列多翼片的运动状况,得到推进装置翼片附近的压力分布和整体推进动力,分析翼片间距变化在启动阶段对推进力的影响作用。通过该研究工作为深入理解波浪滑翔机推进装置工作状态提供了理论依据。     

Numerical simulation for hydrodynamic characteristics of a bionic flapping hydrofoil

In order to study the propulsion mechanism of the bionic flapping hydrofoil (BFH), a 2-DoF (heave and pitch) motion model is formulated. The hydrodynamic performance of BFH with a series of kinematical parameters is explored via numerical simulation based on FLUENT. The calculated result is compared with the experimental value of MIT and that by the panel method. Moreover, the effect of inlet velocity, the angle of attack, the heave amplitude, the pitch amplitude , the phase difference, the heave biased angle, the pitch biased angle and the oscillating frequency are investigated. The study is useful for guiding the design of bionic underwater vehicle based on flapping propulsion. It is indicated that the optimal parameters combination is v=0.5m/s, θ0=40°.θ0=30°,Ψ=90°,Фbias=0°,θbias=0°and f=0.5Hz .     

Numerical and experimental study of a flapping foil generator

The energy extraction performance of a flapping foil generator is studied through experiment and numerical simulation. A practical flapping foil generator has been proposed. The heave motion and the pitch motion of the foil are adjusted through a crankshaft-like structure. The heave and pitch motions of the foil are transferred to the rotational motion of the main shaft. A pair of gears is adopted to increase the pitch angle. A prototype with pitch amplitude θ₀ = 60^∘ has been built and the experiment is carried out in a tunnel. The overall performance of the mechanism has been analysed. Good agreement of numerical results and experiment data has been found. Further simulations with larger pitch amplitudes are carried out. It is found that higher efficiency can be achieved with larger pitch amplitude at medium frequency.