仿生類魚鰭翼力學性能的數(shù)值研究

吳 丹，胡文蓉

（1.上海交通大學 工程力學系，上海 200240；2.上海交通大學 上海交通大學與千葉大學國際合作研究中心，上海 200240；3.上海交通大學水動力學教育部重點實驗室，上海 200240）

水生動物游動的減阻問題一直是生物學家和科學家關注的焦點問題.現(xiàn)實生活中，已經(jīng)有很多水生動物仿生減阻的運用[16-20]，如鯊魚皮泳衣、輸油管道和風力發(fā)電機等，這些減阻方法的運用為人類社會做出了巨大貢獻.因此，對水生動物減阻問題的研究具有非常重要的意義.Walsh[1]受鯊魚表皮鱗狀溝槽結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，研究證實仿鯊魚皮表面受到的阻力較光滑平板小，說明小尺度微溝槽在湍流情況下具有減阻作用.Berchert[2-5]等對微尺度溝槽進行了一系列實驗及理論研究，并對減阻機理進行分析，得到V型微溝槽的最優(yōu)無量綱尺寸.此外，對不同形狀溝槽的研究表明，改變溝槽形狀并不能提高其減阻率[6-13]，溝槽的不同排列方式對減阻率的影響較小[10，14-15].

此外，人們發(fā)現(xiàn)扇貝表面的大尺度條紋狀結(jié)構(gòu)也有助于減小其游動阻力[21]，流向的凹槽結(jié)構(gòu)可能是扇貝能夠快速游動的原因之一.很多魚的魚鰭也存在類似的大尺度溝槽結(jié)構(gòu)，而這些溝槽結(jié)構(gòu)的存在對魚鰭水動力學性能的影響目前尚未見報道.大尺度溝槽能否減小其在層流中的阻力、增加推力將是本研究關注的問題.本研究旨在通過數(shù)值模擬，對比分析類魚鰭翼和傳統(tǒng)翼的力學性能和流動特征，并對類魚鰭翼在沉浮和俯仰拍動中的流動控制機理進行分析.

1 數(shù)值方法與物理模型

1.1 幾何模型與網(wǎng)格

為了分析魚鰭凹槽的影響，本研究對無限展長的類魚鰭翼和相應的傳統(tǒng)翼進行模擬和對比.翼面剖面選擇NACA0025翼型，類魚鰭翼凹槽剖面采用NACA0005翼型，凹槽寬度是翼面部分寬度的1.4倍.由于溝槽是魚鰭展向周期性排列的，因此可選取其中一個溝槽結(jié)構(gòu)進行分析.類魚鰭翼和傳統(tǒng)翼模型如圖1所示.

圖1 類魚鰭翼和傳統(tǒng)翼的幾何模型Fig.1 Geometries of fin-like wing and traditional wing

1.2 運動模型

機翼拍動可分解為沉浮運動和俯仰運動，俯仰角和沉浮幅度的變化規(guī)律分別為

式（1）~式（3）中：ψ為沉浮與俯仰運動的相位差；θ0為俯仰轉(zhuǎn)動最大角度；f為拍動的頻率；f*為無量綱頻率；h0為沉浮運動的最大幅度.若無特別說明，本研究選取θ0=10°，f*=1，h0=0.1c俯仰轉(zhuǎn)軸位于前緣.

1.3 數(shù)值方法及驗證

計算選取雷諾數(shù)為500，在該雷諾數(shù)下的流動為層流.采用FLUENT軟件求解非定常不可壓縮的納維斯托克斯方程，采用SIMPLE算法和動網(wǎng)格技術對拍動問題進行計算，翼型兩側(cè)采用周期性邊界條件.流場出入口分別采用入口和出口邊界條件.

為了驗證本研究數(shù)值方法的可靠性，對橢圓拍動翼進行模擬，并與文獻[23]進行比較，結(jié)果如圖2所示.由圖2可知，升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線模擬均較好.可見，本研究數(shù)值方法能夠較好地模擬拍動翼層流下的流動.

1.4 分析方法

為了研究類魚鰭翼的流動控制機理，本研究通過類魚鰭翼和傳統(tǒng)光滑翼的對比分析，分別研究在均勻來流中靜止翼和拍動翼的流動機理，并將拍動運動分解為俯仰和沉浮運動，探討其對流動控制的貢獻，并對可控運動參數(shù)的影響進行分析.

為了分析方便，分別在類魚鰭翼的翼面和凹槽內(nèi)各選取一個截面進行分析，截面的位置如圖3所示.圖3中，A表示翼面截面，B表示凹槽截面.

圖3 各截面位置Fig.3 Position of each section

2 結(jié)果與討論

2.1 類魚鰭翼靜止時的流動控制機理

當翼在零攻角均勻來流中保持靜止時，傳統(tǒng)翼與類魚鰭翼的阻力系數(shù)分別為0.167和0.224.類魚鰭翼受到的阻力系數(shù)比傳統(tǒng)翼大34%，并沒有改善流體動力性能.

圖4為靜止時傳統(tǒng)翼與類魚鰭翼截面壓強對比圖（A）、展向渦對比圖（B）、流向渦對比圖（C）和法向渦對比圖（D）.

圖4 靜止時壓強及渦量云圖Fig.4 Contour of pressure and vorticity when stationary

由圖4可以看出，傳統(tǒng)翼面上只有展向渦（z向渦），且在翼面后部出現(xiàn)分離.類魚鰭翼面上不僅有展向渦，還出現(xiàn)了流向渦（x向渦）和法向渦（y向渦），尤其在凹槽內(nèi)出現(xiàn)了更為復雜的渦系，說明類魚鰭翼表面出現(xiàn)了展向流動.這些復雜的旋渦將對流場中的壓強分布產(chǎn)生顯著影響，造成翼面尾部負壓強增大，產(chǎn)生向后的阻力.緊貼壁面的渦系也會增加壁面附近的速度梯度，增加黏性切應力，且由于凹槽側(cè)壁增加了類魚鰭翼的表面積，使其受到更大的黏性阻力.因此，在靜止時，類魚鰭翼的阻力比傳統(tǒng)翼更大，不能改善其力學性能.

2.2 類魚鰭翼在沉浮俯仰運動中的流動控制機理

圖5為類魚鰭翼和傳統(tǒng)翼做沉浮俯仰運動時的阻力系數(shù)曲線.由圖5可以看出，此時類魚鰭翼平均推力有較大的提升.

圖6為沉浮俯仰運動時，傳統(tǒng)翼（A）與類魚鰭翼凹槽（B）、翼面（C）截面展向渦各時刻對比圖.由圖6可以看出，傳統(tǒng)翼拍動時翼面上幾乎沒有分離，邊界層內(nèi)只有展向渦層，僅在尾緣處脫出反卡門渦街.

圖5 沉浮俯仰運動時，類魚鰭翼與傳統(tǒng)翼阻力系數(shù)曲線圖Fig.5 Drag coefficient curves of traditional wing and fin-like wing when pitching and heaving

圖7 和圖8分別為類魚鰭翼流向渦與法向渦的渦量云圖.由圖7和圖8可知，類魚鰭翼在拍動過程中，翼面上不僅有展向渦，還出現(xiàn)了流向渦和法向渦，尤其在凹槽內(nèi)出現(xiàn)了更為復雜的渦系，說明對于類魚鰭翼拍動，翼表面還出現(xiàn)了展向流動.這些復雜的旋渦將對流場中的壓強分布產(chǎn)生顯著影響.

圖6 沉浮俯仰運動時的展向渦量云圖Fig.6 z vorticity contours when heaving and pitching

圖7 沉浮俯仰運動時，類魚鰭翼流向渦量云圖Fig.7 x vorticity contour of fin-like wing when heaving and pitching

圖8 沉浮俯仰運動時，類魚鰭翼法向渦量云圖Fig.8 y vorticity contour of fin-like wing when heaving and pitching

由于拍動運動中的黏性力遠小于壓差力，拍動翼所受合力主要由壓差力產(chǎn)生，因此本研究主要對壓強產(chǎn)生的壓差力進行討論.圖9為傳統(tǒng)翼（A）與類魚鰭翼凹槽（B）、翼面（C）截面的壓強分布圖.

圖9 各時刻壓強云圖Fig.9 Pressure contour at different time

由圖9可知，當t=T和0.5T時，2種翼在水平方向上所受合力均為阻力，且類魚鰭翼的阻力小于傳統(tǒng)翼.這是由于類魚鰭翼產(chǎn)生比傳統(tǒng)翼更強的前緣渦使其翼面凸起部分的前緣正壓力減小，產(chǎn)生前緣吸力；而其凹槽部分的截面接近于平板，受到的壓強只提供垂直方向的力，壓差力對阻力貢獻極小.而傳統(tǒng)翼整個翼前緣處的高壓區(qū)均貢獻阻力，因此，類魚鰭翼的阻力更低.當t=0.25T和0.75T時，2種翼前緣負壓均產(chǎn)生推力，但類魚鰭翼凹槽厚度很小，接近于平板，其負壓區(qū)貢獻的阻力向后，因此魚鰭狀翼受到的推力小于傳統(tǒng)翼.

2.3 不同運動方式分析

為了進一步探討類魚鰭翼在拍動運動中的流動控制機理，本研究將拍動運動分解，分別對俯仰運動和沉浮運動的流動控制機理進行討論.

2.3.1 俯仰運動中的流動控制機理

θ0=10°，f*=1時，俯仰運動中類魚鰭翼受到極小的推力，而傳統(tǒng)翼不能產(chǎn)生推力，合力為阻力.圖10為傳統(tǒng)翼（A）與類魚鰭翼凹槽（B）、翼面（C）截面壓強和展向渦各時刻對比圖.

圖10 壓強和展向渦各時刻云圖Fig.10 Pressure contour and z vorticity contour at different time

由渦量圖（圖10（a））可知，僅做俯仰運動時，盡管類魚鰭翼凹槽內(nèi)也會產(chǎn)生比較強的渦，但類魚鰭翼并沒有出現(xiàn)明顯的前緣渦，且凹槽內(nèi)的渦也并沒有緊貼翼面.在t=T和0.5T時，2種翼型壓力分布幾乎一樣（圖10（b）），類魚鰭翼所受阻力低于傳統(tǒng)翼，其原因主要是此時翼恰好處于水平位置，由于凹槽部分接近于平板，壓力只提供垂直方向的力，對水平方向的力貢獻很小.在純俯仰運動中，盡管類魚鰭翼沒有產(chǎn)生前緣渦，但依然能減小阻力.

2.3.2 沉浮運動中的流動控制機理

當翼僅做沉浮運時中，類魚鰭翼和傳統(tǒng)翼均受到阻力，類魚鰭翼的平均阻力系數(shù)較傳統(tǒng)翼小74%.圖11為傳統(tǒng)翼（A）與類魚鰭翼凹槽（B）、翼面（C）截面的壓強及渦量分布圖.由圖11可以看出，在沉浮運動中，當翼位于平衡位置時（t=T和0.5T），類魚鰭翼均產(chǎn)生前緣渦（圖11（a））.而前緣渦造成的低壓區(qū)（圖11（b））能夠提供前緣吸力，從而減小阻力.

圖11 沉浮運動時，展向渦及壓強云圖Fig.11 z vorticity and pressure contour when pitching

3 結(jié)論

本研究通過數(shù)值模擬，對類魚鰭翼與傳統(tǒng)翼在幾種運動中的力學性能和流動特征進行了對比分析.在本文所選取的參數(shù)范圍內(nèi)，可得出以下結(jié)論：

（1）靜止狀態(tài)下，類魚鰭翼所受阻力比傳統(tǒng)翼更大，并沒有改善流體動力性能；而在沉浮俯仰組合運動或其分解運動——沉浮或俯仰運動中，類魚鰭翼均能改善推進性能.

（2）在拍動過程當中，類魚鰭翼產(chǎn)生了非常復雜的渦系，并影響了壓力分布，由沉浮運動產(chǎn)生的前緣渦在改善其力學性能過程中起到了非常重要的作用.