胸鳍或中间鳍推进模式(medianand or paired fin propulsion,MPF)鲼类以其游动高效且稳定而成为越来越多仿生学者的研究对象.研究选取胸鳍为类三角形的鲼类进行仿生建模,针对其游动姿态与推进模式,改进波动方程建立双鳍对称运动模型,并...胸鳍或中间鳍推进模式(medianand or paired fin propulsion,MPF)鲼类以其游动高效且稳定而成为越来越多仿生学者的研究对象.研究选取胸鳍为类三角形的鲼类进行仿生建模,针对其游动姿态与推进模式,改进波动方程建立双鳍对称运动模型,并运用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法结合动网格技术对其进行数值模拟,研究其推进机理与游动特点,在此基础上,通过改变胸鳍波动频率、波动幅值和体波波长等生物学特征探究不同参数对MPF推进模式鲼类游动能力的影响规律.研究结果表明:在胸鳍向上波动或向下波动阶段,胸鳍末端均存在明显的低压中心,大部分推进力主要由胸鳍末端的涡量差产生;向上和向下波动双鳍的过程中鱼体会产生周期性的升力,频率与摆幅更大时升力系数峰值更高.在相同初速度与相同鱼体初始运动状态下,鱼体在3 Hz与A=0.125L时垂向位移分别可达2.32和1.81 m,可获得最大垂向提升涨幅.体波波长决定鱼体胸鳍波动主要位置,当λ=0.6L即胸鳍波动主要位置靠近中性纵剖面时鱼体推进力系数均值仅有0.02,而当λ=1.05L即胸鳍波动主要位置靠近胸鳍末梢时鱼体具有较高的推进力,推进力系数均值可达0.14.本研究结果可以为基于MPF推进模式的仿生水下机器鱼提供设计与制作基础.展开更多
文摘胸鳍或中间鳍推进模式(medianand or paired fin propulsion,MPF)鲼类以其游动高效且稳定而成为越来越多仿生学者的研究对象.研究选取胸鳍为类三角形的鲼类进行仿生建模,针对其游动姿态与推进模式,改进波动方程建立双鳍对称运动模型,并运用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的方法结合动网格技术对其进行数值模拟,研究其推进机理与游动特点,在此基础上,通过改变胸鳍波动频率、波动幅值和体波波长等生物学特征探究不同参数对MPF推进模式鲼类游动能力的影响规律.研究结果表明:在胸鳍向上波动或向下波动阶段,胸鳍末端均存在明显的低压中心,大部分推进力主要由胸鳍末端的涡量差产生;向上和向下波动双鳍的过程中鱼体会产生周期性的升力,频率与摆幅更大时升力系数峰值更高.在相同初速度与相同鱼体初始运动状态下,鱼体在3 Hz与A=0.125L时垂向位移分别可达2.32和1.81 m,可获得最大垂向提升涨幅.体波波长决定鱼体胸鳍波动主要位置,当λ=0.6L即胸鳍波动主要位置靠近中性纵剖面时鱼体推进力系数均值仅有0.02,而当λ=1.05L即胸鳍波动主要位置靠近胸鳍末梢时鱼体具有较高的推进力,推进力系数均值可达0.14.本研究结果可以为基于MPF推进模式的仿生水下机器鱼提供设计与制作基础.
