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仿生机器人拍翼非定常水动力特性.docx
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仿生机器人拍翼非定常水动力特性.docx
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随着人类对于海洋探索的深入,深海对人身安全造成的威胁性也逐步加剧.尽管我国已经成功研制了
“蛟龙号”深海载人下潜器,但是运行成本过高、风险大,应用面较窄.因此具备复杂环境和高危环境作业的
水下机器人成为深海探测领域的利器
[1-5]
.无人水下机器人(UUV)由于系统较为简单、成本低,得到了广泛
应用.作为 UUV 的分支,自主水下机器人(AUV)发展迅速,能智能化地完成相应任务.民用方面,AUV 可
完成海底管道铺设、资源勘探和化学污染物处理等任务;军事国防方面,AUV 在海底排雷、军事侦察和
核电站反应器检查等中也有广泛应用.
仿生机器人是 AUV 的一类,它模仿了自然界中海洋生物特别是鱼类的生物性状.海洋中的鱼类经过
长期的自然进化,具有推进效率高、前进阻力小、机动性强的特点.因此仿生机器人具有更好的适应性,
是未来智能水下机器人的重要发展方向.鱼鳍运动方式分为两种,分别为身体/尾鳍推进(BCF)和中间鳍/对
鳍推进(MPF)
[6-7]
.前者通过身体的来回波动产生推力,例如鳗鱼和鲹科鱼类;后者通过鱼鳍的拍动产生推
力,例如图 1 所示的蝠鲼和鲀科类
[8-10]
.应用到仿生机器人领域,BCF 形式的运动方式会使机械结构较为
复杂,设计和控制难度大;而 MPF 形式的运动方式较为简单,在实际中更易于实现. Chen 等
[11]
采用离子
聚合物复合材料研究了仿生蝠鲼机器人. Li 等
[12]
受蝠鲼胸鳍拍动的启发,于 2017 年研究了可快速运动的
电子鱼.王杨威等
[13]
提出了一种仿生环形长鳍波动推进器及其控制方法. Wang 等人
[14]
借鉴蝠鲼外形设计了
一种仿生蝠鲼水下滑翔机,并分析了浮力等特性随重心位置的变化规律. Luo 等
[15]
使用 CST 参数化方法结
合遗传算法对蝠鲼自动水下机器人的翼型进行了优化,优化结果使升阻比提高了 10%.
图 1 蝠鲼科鱼类 Fig.1 Manta fish
图选项
以上这些研究虽然初步揭示了 MPF 类仿生机器人的推进机制和可行性,但这些经验仍然不能满足
精细化设计要求,需要更为精确的参数才能保证仿生机器人发挥最大使用价值.例如拍翼的上下拍动幅
度、时间比例和最大俯仰角度都会显著影响翼型的升阻力特性,因此如何设定这些参数对机器人的行为具
有重要影响.虽然目前已有关于空气扑翼的相关细致研究
[16-17]
,但空气与水的物理特性差异较大,因此不
能完全借鉴空气扑翼的相关结论. Nonthipat 等
[18]
针对伴有扭转弹簧的半主动式水下拍翼,利用势流理论
模拟了翼型周围的流场,并分析了弹簧系数对推力和效率的影响.其他关于水下拍翼的精细研究尚未多见.
为顺利地开展相关研制,需要对鱼鳍拍动过程中的迎角、拍动幅度、扭转变形等环节对升阻力的影响进行
深入研究.
本文着重研究蝠鲼胸鳍的拍动过程,以二维的 Clark Y 翼型近似为鳍的剖面.采用动态混合网格对拍
动周期内的上下-俯仰运动进行了数值模拟,得到了拍动幅度、俯仰幅度和上拍过程时间比对升阻力的影
响规律.为进一步的三维拍动规律研究奠定了基础.
1 数值方法及验证
本文采取动态混合网格技术对计算域进行离散,网格划分工具为 Pointwise
[19]
.翼型外围采用
Hyperbolic 法向增长的方式生成全四边形边界层网格,第一层网格高度为 10
-5
c,c 为翼型弦长,其余流
场区域采用三角形网格填充.瞬态流场求解器为 Fluent,湍流模型为 SA 一方程模型
[20]
.该模型适合求解外
流场问题,其计算开销低、稳定性好.通过求解关于修正湍流黏度的输运方程获得流场信息:
(1)
式中:G
v
为湍流黏度生成项,Y
v
为近壁面处产生的湍流黏度损耗项, 和 C
b2
是常数, 是分子
运动黏度, 为用户自定义源项,此处取 0.
压力—速度项采取“Coupled”格式,空间和时间离散格式均为二阶精度.时间步长取为一个周期的
1/400,单个时间步内迭代次数为 50,确保计算收敛.
1.1 Delaunay 动态网格技术
Delaunay 插值法是一种基于背景网格寻址的高效节点类动网格方法,针对中等变形问题具有很高的
鲁棒性,它避免了求解大型矩阵的高耗时缺点
[21]
.基本原理为:
1) 基于原始背景网格,建立起物面网格节点与远场边界节点的 Delaunay 三角形;
2) 在已建立的 Delaunay 三角形内定位流体域内的网格节点,过程如下:
任意一个网格节点与 Delaunay 三角形存在唯一的对应关系,这种关系可以由面积坐标来确定.如图
2 所示,△ABC 内存在一点 P,则点 P 的位置可由面积坐标(e
1
,e
2
,e
3
)唯一确定:
(2)
图 2 Delaunay 三角形面积坐标 Fig.2 Delaunay triangle area coordinates
图选项
其中,
(3)
(4)
(5)
(6)
显然对于面积坐标有:
(7)
因此若当物面网格节点发生 δ 的位移后,流体域内网格节点位移由下式得到:
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