基于柔性体模型鲹科鱼游动水动力学的研究数值模拟的研究

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1、ClassifiedIndex:TP242.6U.D.C:621DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFHYDRODYNAMICSOFCARANGIFORMSWIMMINGBASEDONFLEXIBLEMODELCandidate：HuYananSupervisor：Prof.ChenWeishanAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMec

2、hatronicsEngineeringDateofDefence：July,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要仿鱼机器人相比于传统水下航潜器具有高效、高速以及高机动性等优点，因此近年来人们在仿鱼机器人的研制以及鱼类推进机理的研究上不遗余力。其中对于鱼类推进机理的研究，随着计算机技术的迅猛发展和计算流体理论的不断进步，越来越多地利用计算机进行数值仿真。数值仿真研究具有不受实验条件影响、可重复性好以及可最大程度地模拟自然环境等优点。目前常用的商业CFD软件虽然具有应

3、用面广泛等优点，但是在计算效率以及精度上还存在较大的提升空间，而且在流体计算理论上存在一定的滞后性。因此本文以揭示仿生推进机理为目标，抛弃商业CFD软件，利用所提出的数值求解方法对鱼体高速高效自主游动机理进行水动力学数值模拟研究。沉浸边界法为一种采用结构网格的数值有限差分法，通过在虚拟边界上施加反馈力以使边界满足无滑移条件，计算中不需要重构网格，计算效率与精度较高。本文提出基于沉浸边界法的数值计算方法，对流场中的速度场、压力场以及边界反馈力的求解方程进行详细的推导与阐述。利用圆柱绕流以及简谐振动圆柱模型的仿真验证了算法的正确性与程序的强壮性，为鱼体游动的仿真奠定了基础。建立了鱼体波动

4、的运动学模型以及力学参数的计算模型，采用提出的数值算法对固定鱼体摆动进行数值仿真研究，通过观察流场压力与涡量分布，探讨了摆动鱼体推进力的来源。调整摆动频率、摆动幅值以及尾鳍最大击水角等参数，通过数值仿真探讨推进力随这些参数的变化规律。为了使鱼体最大化地接近真鱼游动状态，采用提出的数值算法，对鱼体进行了自主游动仿真。建立了自主游动动力学模型与力能学性能参数模型。求解鱼体从静止启动并加速到稳态游动的动力学过程，得到了稳态自主游动时鱼体的速度与受力状态。通过对不同运动学参数如摆动频率、幅值与体波数下游动的仿真，分析了自主游动性能受参数影响的规律。关键词：仿鱼机器人；沉浸边界法；自主游动；水

5、动力学-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractInrecentyears,peoplehavespentlotsofeffortsinthestudyoffish-likerobotsandthepropellingmechanismoffishesforthereasonsofitshighswimmingefficiency,highspeedandhighflexibilitycomparedtothetraditionalsubmarinepropellers.Inthestudyoffishes’propellingmechanism,numericalsimu

6、lationhasbeenusedmoreandmoreoftenduetothedevelopmentofcomputerscienceandhydrodynamicstheory.Theuseofnumericalsimulationmethodcanreachtoperfectnaturalenvironmentwithoutconcerningtheexperimentconditionsanditcanbeunlimitedlyrepeated.AlthoughthecommonlyusedcommercialCFDsoftwarehasawideapplication,i

7、t’sefficiencyandaccuracyarelimited.Therefore,aimingtorevealingthemechanismoffishpropelling,commercialCFDsoftwareisabandonedinthispaper,andnewcomputingmethodsareappliedintotheprogramcodedtosimulatetheself-propellingfish.Theimmersed