仿鰩魚水下航行器動(dòng)態(tài)流體仿真

盛兆華, 楊 朔

仿鰩魚水下航行器動(dòng)態(tài)流體仿真

盛兆華, 楊 朔

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)

具有中間鰭/對(duì)鰭(MPF)推進(jìn)模式的仿生水下航行器, 因其優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性、穩(wěn)定性, 在海洋科考、海洋資源開發(fā)以及軍事偵查領(lǐng)域具有明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì), 文中建立了MPF推進(jìn)模式的典型代表——仿鰩魚水下航行器外形輪廓和游動(dòng)方程, 分析了仿生參數(shù)對(duì)其游動(dòng)的影響, 并通過(guò)Fluent UDF編寫游動(dòng)方程, 實(shí)現(xiàn)仿鰩魚水下航行器動(dòng)態(tài)流體仿真。仿真結(jié)果表明: 仿鰩魚魚鰭波動(dòng)形成旋向相反的尾渦并不斷向后脫離, 提供向前推力, 為仿鰩魚水下航行器設(shè)計(jì)提供技術(shù)參考。

仿鰩魚水下航行器; 游動(dòng)方程; 推進(jìn)機(jī)理

0 引言

近幾十年, 各國(guó)研究人員研制出大量具有自然生物運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的仿生型水下航行器, 其具有作業(yè)范圍廣、機(jī)動(dòng)性和隱蔽性好、噪聲低等優(yōu)點(diǎn), 克服了傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)方式的效率低、機(jī)動(dòng)性差、噪聲大等方面缺點(diǎn), 在海洋科研考察、海洋資源開發(fā)以及軍事領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景[1]。

主流的仿生水下航行器推進(jìn)方式主要有身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進(jìn)模式、中間鰭/對(duì)鰭(median and/or paired fin, MPF)推進(jìn)模式2大類, 2種模式具有不同的特點(diǎn)。BCF推進(jìn)模式主要借助魚類尾鰭和魚身后半段擺動(dòng)產(chǎn)生推進(jìn)力, 而MPF推進(jìn)模式主要靠魚類背鰭、胸鰭和腹鰭等多種柔性鰭產(chǎn)生推進(jìn)力。采用MPF推進(jìn)模式的仿生水下航行器[2]雖然游動(dòng)速度不快, 但在低速場(chǎng)合具有優(yōu)良的機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性, 可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)懸停。MPF推進(jìn)模式的仿生型水下航行器腹部可安裝多種多用途的偵查探測(cè)設(shè)備, 更適用于對(duì)偵查環(huán)境機(jī)動(dòng)性要求較高的場(chǎng)合。

作為典型MPF推進(jìn)模式的魚類——鰩魚, 受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者更多的關(guān)注與研究。Fish等[3-5]建立了鰩魚胸鰭運(yùn)動(dòng)模型及計(jì)算流體動(dòng)力模型, 系統(tǒng)性地研究了鰩魚游動(dòng)行為對(duì)其三維流場(chǎng)的影響, 并對(duì)其游動(dòng)效率進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)其魚鰭的運(yùn)動(dòng)是不對(duì)稱的向上或向下拍打運(yùn)動(dòng), 其凈推力一半由鰭尖部分產(chǎn)生。何建慧等[6-7]以鰩魚胸鰭為研究對(duì)象, 建立了仿生鰭波動(dòng)的二維數(shù)學(xué)模型, 比較分析了在不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下仿生鰭無(wú)量綱阻力系數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律。楊少波等[8-9]基于魚類胸鰭模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型, 研究物理參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)推進(jìn)波形的影響, 并對(duì)其進(jìn)行流體仿真, 探討其運(yùn)動(dòng)規(guī)律。陳懷遠(yuǎn)等[10]根據(jù)鰩魚胸鰭波動(dòng)推進(jìn)的特點(diǎn), 建立仿生環(huán)形胸鰭的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型, 利用計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics, CFD)對(duì)胸鰭波動(dòng)推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值計(jì)算, 分析了波動(dòng)胸鰭產(chǎn)生的拉力及速度等推進(jìn)性能。李寧宇等[11]采用改進(jìn)的浸入邊界法研究了胸鰭簡(jiǎn)化模型的高度三維特性尾渦結(jié)構(gòu), 系統(tǒng)性地探討了運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)拍動(dòng)翼尾結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力性能的影響, 并深入探討水動(dòng)力性能隨參數(shù)變化的內(nèi)在機(jī)制。

上述研究大多僅考慮仿鰩魚波動(dòng)或擺動(dòng)運(yùn)動(dòng), 未綜合考慮其波動(dòng)與擺動(dòng)耦合運(yùn)動(dòng); 仿生鰭展長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)幅值呈線性, 未考慮仿生鰭柔性運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。多數(shù)仿生鰭流體仿真采用靜態(tài)仿真, 無(wú)法真正模擬魚鰭運(yùn)動(dòng)形態(tài)及過(guò)程, 動(dòng)態(tài)仿真方法表述不清或操作復(fù)雜, 無(wú)普適操作性。

文中以鰩魚為研究對(duì)象, 建立仿鰩魚游動(dòng)模型, 給出仿生參數(shù)對(duì)其游動(dòng)的影響。通過(guò)Fluent UDF自編程序, 實(shí)現(xiàn)仿鰩魚的動(dòng)態(tài)流體仿真, 最后對(duì)仿鰩魚推進(jìn)機(jī)理進(jìn)行了闡述。

1 游動(dòng)模型建立

建立仿鰩魚游動(dòng)模型的目的是為動(dòng)態(tài)流體仿真提供精確的數(shù)學(xué)模型, 通過(guò)游動(dòng)模型中關(guān)鍵仿生參數(shù)可以控制其游動(dòng)形態(tài), 從而達(dá)到模擬真實(shí)鰩魚的游動(dòng)。

1.1 游動(dòng)方程

Rosenberger[12]和Blevins[13]通過(guò)高速攝像機(jī)記錄鰩魚在水箱內(nèi)游動(dòng)過(guò)程, 如圖1所示。鰩魚通過(guò)由前至后擺動(dòng)胸鰭向前游動(dòng)。

圖1 鰩魚游動(dòng)過(guò)程

圖2 仿鰩魚坐標(biāo)系

仿生鰭平鋪至中性面外形輪廓可由任意連續(xù)函數(shù)描述, 文中采用拋物線函數(shù), 即

從式(3)可以看出, 仿生鰭游動(dòng)為波動(dòng)與擺動(dòng)的耦合運(yùn)動(dòng), 考慮到魚鰭的柔性運(yùn)動(dòng), 仿生鰭展長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)幅值呈指數(shù)型變化。

1.2 仿生參數(shù)對(duì)游動(dòng)影響

2 動(dòng)態(tài)網(wǎng)格生成

通過(guò) UDF編程在Fluent中生成仿生鰭的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。具體實(shí)現(xiàn)步驟如圖4所示。

圖3 仿生參數(shù)對(duì)仿生鰭游動(dòng)的影響

圖4 動(dòng)態(tài)流體仿真實(shí)現(xiàn)步驟

反算與網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)仿生鰭外形坐標(biāo)

式中, lambert為朗伯函數(shù)。

其中

3 動(dòng)態(tài)流體仿真

3.1 仿真模型

時(shí)間離散采用歐拉隱式離散方法, 空間離散為1階迎風(fēng)離散格式, 湍流計(jì)算模型為重整化群(renormalization group, RNG)-模型, 游動(dòng)周期為0.2 s, 計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.001s。

表1 仿生參數(shù)

3.2 仿真結(jié)果

計(jì)算時(shí)長(zhǎng)為6 s, 即30個(gè)周期, 結(jié)果如圖 5和圖6所示。其中, 圖5為仿生魚鰭0.5倍展長(zhǎng)截面的速度矢量分布圖, 圖6為仿生魚鰭尾渦示意圖。仿生魚鰭速率沿展向、弦向增大, 在鰭尖處最大, 此處游動(dòng)幅度也最大。5.84 s和5.94 s時(shí), 仿生魚鰭向上波動(dòng), 此時(shí)在尾部形成逆時(shí)針的尾渦; 5.88 s和5.92 s時(shí), 仿生魚鰭向下波動(dòng), 此時(shí)尾渦為順時(shí)針方向。仿生魚鰭游動(dòng)形成旋向相反的尾渦并不斷向后脫離, 形成渦環(huán), 提供向前推力。

4 結(jié)束語(yǔ)

圖5 仿生魚鰭速率矢量圖

圖6 仿生魚鰭尾渦示意圖

[1] 李成進(jìn). 仿生型水下航行器研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 魚雷技術(shù), 2016, 24(1): 1-7.

Li Cheng-Jin. Research Status and Development Trend of Bionic Underwater Vehicle[J]. Torpedo Technology, 2016, 24(1): 1-7.

[2] 胡舉喜, 吳均云, 田忠殿. 胸鰭推進(jìn)仿生無(wú)人潛航器研究淺析[C]//鰲山論壇?2019年水下無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)高峰論壇論文集. 青島:水下無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)高峰論壇, 2019.

[3] Fish F E, Schreiber C M, Moored K W, et al. Hydrodynamic Performance of Aquatic Flapping: Efficiency of Underwater Flight in the Manta[J]. Aerospace, 2016, 3(3): 1-24.

[4] Fish F E, Kolpas A, Crossett A, et al. Kinematics of Swimming of the Manta Ray: Three-dimensional Analysis of Open-water Maneuverability[J]. Journal of Experiment Biology, 2018(221): 1-10.

[5] Liu G, Ren Y, Zhu J, et al. Thrust Producing Mechanisms in Ray-inspired Underwater Vehicle Propulsion[J]. Theoretical and Applied Mechanics Letters, 2015, 5(1): 54-57.

[6] 何建慧, 章永華. 仿生波動(dòng)鰭推進(jìn)器設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù), 2016, 12(3): 173-178.

He Jian-hui, Zhang Yong-hua. Design of a Biomimetic Undulating Fin Driven Propulsor and Numerical Analysis on Its Motion[J]. System Simulation Technology, 2016, 12(3): 173-178.

[7] He J H, Zhang Y H, Low K H. Comparative Study of Effect of Fin Arrangement on Propulsion Performance of Bio-inspired Underwater Vehicles with Multiple SMA Fins[J]. International Journal of Advanced Robotic System, 2015, 12: 135.

[8] 楊少波, 韓小云, 邱靜. 鰩魚胸鰭模式的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真[J]. 國(guó)防科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 31(1): 104-108.

Yang Shao-bo, Han Xiao-yun, Qiu Jing. Kinematics Modeling and Simulation of Pectoral Locomotion in Batoid Fish[J]. Journal of National University of Defense Technology, 2009, 31(1): 104-108.

[9] 楊少波, 韓小云, 張代兵, 等. 一種新型的胸鰭擺動(dòng)模式推進(jìn)機(jī)器魚設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 機(jī)器人, 2008, 30(6): 508-515.

Yang Shao-bo, Han Xiao-yun, Zhang Dai-bing, et al. Design and Development of a New Kind of Pectoral Oscillation Propulsion Robot Fish[J]. Robot, 2008, 30(6): 508-515.

[10] 陳懷遠(yuǎn), 趙東標(biāo), 王揚(yáng)威. 仿生魟魚環(huán)形胸鰭波動(dòng)推進(jìn)的流場(chǎng)仿真[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2020, 37(3): 333-338.

Chen Huai-yuan, Zhao Dong-biao, Wang Yang-wei. Simulation of Flow Field of the Undulate Propulsion for Biomimetic Stingray Ring Pectoral Fins[J]. Computer Simulation, 2020, 37(3): 333-338.

[11] 李寧宇. 基于浸入邊界法的仿胸鰭推進(jìn)機(jī)理與性能分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2017.

[12] Rosenberger L J, Westneat M W. Functional Morphology of Undulatory Pectoral Fin Locomotion in the Stingray Taeniura Lymma(Chondrichthyes: Dasyatidae)[J]. The Journal of Ex- perimental Biology, 1999, 202(24): 3523- 3539.

[13] Blevins E L, Lauder G V. Rajiform Locomotion: Three- Dimensional Kinematics of the Pectoral Fin Surface during Swimming in the Freshwater Stingray Potamotrygon orbignyi[J]. The Journal of Experimental Biology, 2012, 215(18): 3232-3241.

Dynamic Fluid Simulation of Bionic Ray Undersea Vehicle

SHENG Zhao-hua, YANG Shuo

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China State Shipbuilding Corporation Limited, Kunming 650106, China)

Bionic undersea vehicles with median and/or paired fin(MPF) propulsion modes have obvious application advantages in marine research, marine resource development, and military research owing to their excellent mobility and stability. The contour and motion equations of bionic ray undersea vehicles are established as a typical model of the MPF propulsion mode to analyze the influence of bionic parameters on the motion. The motion equation is written using Fluent UDF to realize dynamic fluid simulation of bionic rays, and the simulation results show that the bionic fin undulates to form a vortex that spins in opposite directions and constantly pulls back, providing forward thrust. This paper provides a technical reference for the design of bionic rays underwater vehicles.

bionic ray undersea vehicle; motion equation; propulsion mode

TJ630; TB17

A

2096-3920(2021)03-0308-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.03.009

盛兆華, 楊朔. 仿鰩魚水下航行器動(dòng)態(tài)流體仿真[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2021, 29(3): 308-312.

2020-06-19;

2020-09-29.

盛兆華(1992-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向?yàn)樗潞叫衅鲃?dòng)力推進(jìn)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 許 妍)