基于Fluent的仿生機(jī)器魚(yú)胸鰭擺動(dòng)模型仿真分析

馮靜安，晁貫良，王衛(wèi)兵，牛建文，邱艷軍

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

基于Fluent的仿生機(jī)器魚(yú)胸鰭擺動(dòng)模型仿真分析

馮靜安，晁貫良，王衛(wèi)兵，牛建文，邱艷軍

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832003)

為研究胸鰭攻角對(duì)仿生機(jī)器魚(yú)升潛運(yùn)動(dòng)的影響，制定機(jī)器魚(yú)升潛運(yùn)動(dòng)控制規(guī)則，分析了升力產(chǎn)生的機(jī)制和影響因素，建立了機(jī)器魚(yú)胸鰭擺動(dòng)數(shù)學(xué)模型，根據(jù)機(jī)器魚(yú)胸鰭幾何模型，應(yīng)用Gambit建立了機(jī)器魚(yú)胸鰭二維網(wǎng)格模型，應(yīng)用Fluent仿真，分析了不同攻角下機(jī)器魚(yú)升力阻力差，確定胸鰭在來(lái)流速度為0.5 m/s的水動(dòng)力環(huán)境下做周期擺動(dòng)時(shí)的最佳攻角為20°左右。

機(jī)器魚(yú);胸鰭;擺動(dòng)模型;Fluent仿真

生物學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，在所有的海洋物種中，魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)方式效率最高，相對(duì)于傳統(tǒng)的螺旋槳驅(qū)動(dòng)，魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)還具有高機(jī)動(dòng)性、高隱蔽性的特點(diǎn)，因此，越來(lái)越多的中外學(xué)者展開(kāi)了對(duì)仿生機(jī)器魚(yú)的研究［1－6］。

機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)上浮、下潛運(yùn)動(dòng)，主要通過(guò)以下四種方式［7］:在魚(yú)體中內(nèi)置泵和水箱，通過(guò)調(diào)整自身重力與浮力差實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng);改變尾鰭矢量推進(jìn)方向，如將尾鰭旋轉(zhuǎn)90°，則原來(lái)的轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)變?yōu)樯凉撨\(yùn)動(dòng);改變機(jī)器魚(yú)重心位置，使魚(yú)體與水平面成一定角度，在推進(jìn)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng);通過(guò)胸鰭上下擺動(dòng)產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng)。

文中所述機(jī)器魚(yú)采用BCF模式推進(jìn)方式，通過(guò)胸鰭在一定攻角下做周期擺動(dòng)產(chǎn)生的升力實(shí)現(xiàn)升潛運(yùn)動(dòng)。通過(guò)建立仿生機(jī)器魚(yú)胸鰭擺動(dòng)數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用Gambit建立機(jī)器魚(yú)二維幾何網(wǎng)格模型，通過(guò)Fluent仿真，分析機(jī)器魚(yú)在胸鰭做周期性擺動(dòng)時(shí)，不同攻角下的升力阻力差，分析胸鰭最佳攻角，為制定仿生機(jī)器魚(yú)升潛運(yùn)動(dòng)控制規(guī)則奠定基礎(chǔ)。

1 翼型薄板升力機(jī)制

機(jī)器魚(yú)在靜水中或穩(wěn)定勻速流場(chǎng)中游動(dòng)，其速度比較低，雷諾數(shù)屬中等雷諾數(shù)范圍 (103＜Re＜106)。為了對(duì)胸鰭進(jìn)行受力分析，對(duì)流體進(jìn)行以下簡(jiǎn)化處理:流體穩(wěn)定均勻、密度均勻且不可壓縮、非黏性、無(wú)窮遠(yuǎn)處流體不受干擾，因此機(jī)器魚(yú)運(yùn)動(dòng)受力問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為無(wú)黏性流體問(wèn)題。

依照無(wú)黏性流體理論，定常流體中運(yùn)動(dòng)的封閉物體，可以分解出一個(gè)垂直于其相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的力，即升力。

如圖1所示，b為弦長(zhǎng)，c為翼的弦線(xiàn)，α為翼弦與來(lái)流v∞的夾角，稱(chēng)為攻角。翼型表面上各點(diǎn)都作用有摩擦力和壓強(qiáng)，水翼上摩擦力F2和總壓力F1，產(chǎn)生合力F。將F按平行于v∞方向和垂直于v∞方向分解為Fx和Fy，F(xiàn)x為阻力，F(xiàn)y為升力。

圖1 水翼參數(shù)與受力分析

2 升力影響因素分析

根據(jù)量綱一化流體動(dòng)力系數(shù)定義:

式中:l為翼的展長(zhǎng);

b為弦長(zhǎng);

v∞為來(lái)流速度;

ρ為流體的密度;

Cy、Cx為流體動(dòng)力系數(shù)。

圖2 升力系數(shù)與攻角之間的關(guān)系

當(dāng)直線(xiàn)低速流動(dòng)的均勻流體以v∞、小α流過(guò)水翼時(shí)，翼型阻力主要是附體流動(dòng)產(chǎn)生的摩擦阻力，因此Cx值較小且隨α變化不大，隨著攻角α的增大，上下翼面壓差增大，升力近似線(xiàn)性增加;當(dāng)攻角增大到某臨界值后，下翼面的附體流動(dòng)被破壞，出現(xiàn)粘性壓差阻力增量，Cx值急速增大，升力迅速下降，此臨界攻角稱(chēng)為失速角。升力系數(shù)與攻角間的關(guān)系可由圖2所示。

同時(shí)，假定流體密度ρ不變，由式 (1)可知，升力Fy與升力系數(shù)Cy、來(lái)流速度v∞、翼的展長(zhǎng)l、弦長(zhǎng)b成正比。

3 胸鰭建模

3.1 胸鰭擺動(dòng)數(shù)學(xué)模型

假定機(jī)器魚(yú)在游動(dòng)過(guò)程中，軀體的前2/3沒(méi)有擺動(dòng)，即沒(méi)有搖首動(dòng)作，剛性胸鰭僅做繞軸擺動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)模型如圖3所示。

圖3 胸鰭運(yùn)動(dòng)模型

胸鰭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以表示為:

式中:θ0為胸鰭的最大擺角，rad;

f為擺動(dòng)頻率，Hz。

擺動(dòng)速度可以表示為

胸鰭末端位置變化規(guī)律:

式中:A為胸鰭最大擺幅，A=Lsinθ0;

L為胸鰭展長(zhǎng)。

整個(gè)胸鰭的縱向位置坐標(biāo)方程為:

式中:x，y為機(jī)翼坐標(biāo);t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

3.2 胸鰭幾何模型

胸鰭幾何結(jié)構(gòu)模型如圖4所示，展長(zhǎng)為77 mm，最大厚度為12 mm，寬度為50 mm，機(jī)翼平面位于xOy平面內(nèi)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸位于距離前端7 mm處繞z軸周期擺動(dòng)。

圖4 胸鰭幾何結(jié)構(gòu)模型

3.3 二維網(wǎng)格模型

應(yīng)用Gambit建立胸鰭二維幾何模型，并生成網(wǎng)格。計(jì)算區(qū)域采用上下6倍展長(zhǎng)，尾部10倍展長(zhǎng)的長(zhǎng)方形區(qū)域，以減小邊界對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 胸鰭二維網(wǎng)格劃分模型

4 Fluent仿真

4.1 仿真參數(shù)設(shè)置

(1)邊界條件設(shè)定

如圖3所示，流場(chǎng)左邊界定義為速度入口 (Velocity Inlet)，右邊界定義為出口邊界 (Outflow)，上下邊界為對(duì)稱(chēng)邊界 (Symmetry)，胸鰭為壁面邊界條件(Wall)。

(2)動(dòng)域的確定

將胸鰭定義為動(dòng)域，根據(jù)胸鰭擺動(dòng)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)UDF編程加載到fluent中。

(3)動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置 (如表1所示)

表1 動(dòng)網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置

(4)Fluent求解參數(shù)設(shè)置 (如表2所示)

表2 Fluent求解參數(shù)設(shè)置

4.2 仿真結(jié)果分析

不同攻角下的升力阻力仿真結(jié)果如圖6—10(圖中的橫坐標(biāo)Flow Time，單位為s;縱坐標(biāo)中Cd為阻力系數(shù)，Cl為升力系數(shù))所示。

圖6 5°攻角升力阻力曲線(xiàn)

圖7 10°攻角升力阻力曲線(xiàn)

圖8 15°攻角升力阻力曲線(xiàn)

圖9 20°攻角升力阻力曲線(xiàn)

圖10 25°攻角升力阻力曲線(xiàn)

由圖6可知:升力與阻力基本重合，其差值基本為0，說(shuō)明胸鰭在5°攻角擺動(dòng)時(shí)，升潛效果不明顯。分析圖7—10發(fā)現(xiàn):各攻角在半個(gè)周期附近升力與阻力差呈現(xiàn)最大值，這是由于胸鰭在一定攻角下做繞軸擺動(dòng)時(shí)胸鰭與水平面的夾角一直在變化，當(dāng)?shù)竭_(dá)半個(gè)周期時(shí)夾角呈現(xiàn)最小值;出現(xiàn)最大差值的位置在小范圍內(nèi)波動(dòng)，可能是由于在擺動(dòng)時(shí)受到渦流的影響。通過(guò)5組圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，20°攻角以前升力隨攻角呈遞增關(guān)系，而阻力增加不明顯，之后攻角再變大時(shí)，阻力沒(méi)有太大變化，而升力則有明顯下降趨勢(shì)，這是由于攻角過(guò)大時(shí)對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)相應(yīng)增大。由此可以確定，攻角在20°左右為機(jī)器魚(yú)上浮下潛的最優(yōu)角度。

5 結(jié)論

胸鰭擺動(dòng)式仿生機(jī)器魚(yú)通過(guò)胸鰭攻角的變化引起胸鰭升力與阻力差，實(shí)現(xiàn)機(jī)器魚(yú)的升潛運(yùn)動(dòng);在一定范圍內(nèi)，攻角增大，升力增加，升力阻力差增大，但攻角超出一定值后，升力迅速下降，升力阻力差減小;通過(guò)對(duì)來(lái)流速度為0.5 m/s的環(huán)境下對(duì)做周期性擺動(dòng)的胸鰭進(jìn)行不同攻角下的水動(dòng)力學(xué)模擬分析，確定機(jī)器魚(yú)升潛運(yùn)動(dòng)最佳攻角為20°左右。

［1］徐義剛，萬(wàn)德成.剛性胸鰭運(yùn)動(dòng)參數(shù)的優(yōu)化［J］.力學(xué)季刊，2012，33(2):210－220.

［2］魏鵬.低航速減搖鰭的升力特性分析及控制方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2011.

［3］彭之春，龐永杰.機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)仿真方法［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，16(12):2643－2646.

［4］蔡月日，畢樹(shù)生.胸鰭擺動(dòng)推進(jìn)模式仿生魚(yú)研究進(jìn)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2011，47(19):30－37.

［5］徐一村，宗光華，畢樹(shù)生，等.胸鰭推進(jìn)機(jī)器魚(yú)俯仰穩(wěn)定性分析［J］.機(jī)器人ROBOT，2012，34(3):376－379

［6］WANG Weibing，YU Junzhi，DING Rui，et al.Bio－inspired Design and Realization of a Novel Multimode Amphibious Robot［C］.IEEE International Conference on Automation and Logistics，Shenyang，China，August5－7，2009:140－145.

［7］朱興華.一種仿生機(jī)器魚(yú)的運(yùn)動(dòng)分析及其控制系統(tǒng)研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2005.

Simulation and Analysis of Bionic Robo-Fish Swing Model Based on Fluent

FENG Jingan，CHAO Guanliang，WANG Weibing，NIU Jianwen，QIU Yanjun
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832003，China)

To research the influence of attack angle on the bionic robo-fish in dive motion，the robo-fish dive motion control rules was made，the lift with generation mechanism and influence factors was analyzed，and the swing model of pectoral fin was established.According to the geometry model of pectoral fin，the pectoral fin of robo-fish two-dimensional grid model was established by applying the software of Gambit.And applying Fluent software simulation，the robo-fish lift and resistance difference under different attack angle was analyzed，the pectoral fin optimal angle of attack is about 20°at flow velocity of 0.5 m/s in hydrodynamic environment with doing periodic swing was determined.

Robo-fish;Pectoral fin;Swing model;Fluent simulation

TP391.9

A

1001－3881(2014)9－124－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.034

2013－04－11

國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目 (2007AA04Z202);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 (60865004)

馮靜安 (1977—)，男，碩士，在讀博士，講師，主要從事機(jī)械 CAD/CAM研究。E－mail:fja_mac@ shzu.edu.cn。通信作者:王衛(wèi)兵，E－mail:wwbshz@163.com。