仿鰩魚水下航行器動態流體仿真

盛兆華, 楊 朔

仿鰩魚水下航行器動態流體仿真

盛兆華, 楊 朔

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

具有中間鰭/對鰭(MPF)推進模式的仿生水下航行器, 因其優良的機動性、穩定性, 在海洋科考、海洋資源開發以及軍事偵查領域具有明顯的應用優勢, 文中建立了MPF推進模式的典型代表——仿鰩魚水下航行器外形輪廓和游動方程, 分析了仿生參數對其游動的影響, 并通過Fluent UDF編寫游動方程, 實現仿鰩魚水下航行器動態流體仿真。仿真結果表明: 仿鰩魚魚鰭波動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計提供技術參考。

仿鰩魚水下航行器; 游動方程; 推進機理

0 引言

近幾十年, 各國研究人員研制出大量具有自然生物運動特點的仿生型水下航行器, 其具有作業范圍廣、機動性和隱蔽性好、噪聲低等優點, 克服了傳統螺旋槳推進方式的效率低、機動性差、噪聲大等方面缺點, 在海洋科研考察、海洋資源開發以及軍事領域具有很大的應用前景[1]。

主流的仿生水下航行器推進方式主要有身體/尾鰭(body and/or caudal fin, BCF)推進模式、中間鰭/對鰭(median and/or paired fin, MPF)推進模式2大類, 2種模式具有不同的特點。BCF推進模式主要借助魚類尾鰭和魚身后半段擺動產生推進力, 而MPF推進模式主要靠魚類背鰭、胸鰭和腹鰭等多種柔性鰭產生推進力。采用MPF推進模式的仿生水下航行器[2]雖然游動速度不快, 但在低速場合具有優良的機動性和穩定性, 可實現實時懸停。MPF推進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設備, 更適用于對偵查環境機動性要求較高的場合。

作為典型MPF推進模式的魚類——鰩魚, 受到國內外學者更多的關注與研究。Fish等[3-5]建立了鰩魚胸鰭運動模型及計算流體動力模型, 系統性地研究了鰩魚游動行為對其三維流場的影響, 并對其游動效率進行分析, 發現其魚鰭的運動是不對稱的向上或向下拍打運動, 其凈推力一半由鰭尖部分產生。何建慧等[6-7]以鰩魚胸鰭為研究對象, 建立了仿生鰭波動的二維數學模型, 比較分析了在不同運動參數下仿生鰭無量綱阻力系數隨時間的變化規律。楊少波等[8-9]基于魚類胸鰭模式的運動學模型, 研究物理參數和運動參數對推進波形的影響, 并對其進行流體仿真, 探討其運動規律。陳懷遠等[10]根據鰩魚胸鰭波動推進的特點, 建立仿生環形胸鰭的運動學模型, 利用計算流體力學(computational fluid dynamics, CFD)對胸鰭波動推進過程進行數值計算, 分析了波動胸鰭產生的拉力及速度等推進性能。李寧宇等[11]采用改進的浸入邊界法研究了胸鰭簡化模型的高度三維特性尾渦結構, 系統性地探討了運動參數對拍動翼尾結構和水動力性能的影響, 并深入探討水動力性能隨參數變化的內在機制。

上述研究大多僅考慮仿鰩魚波動或擺動運動, 未綜合考慮其波動與擺動耦合運動; 仿生鰭展長運動幅值呈線性, 未考慮仿生鰭柔性運動特點。多數仿生鰭流體仿真采用靜態仿真, 無法真正模擬魚鰭運動形態及過程, 動態仿真方法表述不清或操作復雜, 無普適操作性。

文中以鰩魚為研究對象, 建立仿鰩魚游動模型, 給出仿生參數對其游動的影響。通過Fluent UDF自編程序, 實現仿鰩魚的動態流體仿真, 最后對仿鰩魚推進機理進行了闡述。

1 游動模型建立

建立仿鰩魚游動模型的目的是為動態流體仿真提供精確的數學模型, 通過游動模型中關鍵仿生參數可以控制其游動形態, 從而達到模擬真實鰩魚的游動。

1.1 游動方程

Rosenberger[12]和Blevins[13]通過高速攝像機記錄鰩魚在水箱內游動過程, 如圖1所示。鰩魚通過由前至后擺動胸鰭向前游動。

圖1 鰩魚游動過程

圖2 仿鰩魚坐標系

仿生鰭平鋪至中性面外形輪廓可由任意連續函數描述, 文中采用拋物線函數, 即

從式(3)可以看出, 仿生鰭游動為波動與擺動的耦合運動, 考慮到魚鰭的柔性運動, 仿生鰭展長運動幅值呈指數型變化。

1.2 仿生參數對游動影響

2 動態網格生成

通過 UDF編程在Fluent中生成仿生鰭的動態網格。具體實現步驟如圖4所示。

圖3 仿生參數對仿生鰭游動的影響

圖4 動態流體仿真實現步驟

反算與網格節點對應仿生鰭外形坐標

式中, lambert為朗伯函數。

其中

3 動態流體仿真

3.1 仿真模型

時間離散采用歐拉隱式離散方法, 空間離散為1階迎風離散格式, 湍流計算模型為重整化群(renormalization group, RNG)-模型, 游動周期為0.2 s, 計算時間步長為0.001s。

表1 仿生參數

3.2 仿真結果

計算時長為6 s, 即30個周期, 結果如圖 5和圖6所示。其中, 圖5為仿生魚鰭0.5倍展長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, 此處游動幅度也最大。5.84 s和5.94 s時, 仿生魚鰭向上波動, 此時在尾部形成逆時針的尾渦; 5.88 s和5.92 s時, 仿生魚鰭向下波動, 此時尾渦為順時針方向。仿生魚鰭游動形成旋向相反的尾渦并不斷向后脫離, 形成渦環, 提供向前推力。

4 結束語

圖5 仿生魚鰭速率矢量圖

圖6 仿生魚鰭尾渦示意圖

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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態流體仿真[J]. 水下無人系統學報, 2021, 29(3): 308-312.

2020-06-19;

2020-09-29.

盛兆華(1992-), 男, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水下航行器動力推進技術.

(責任編輯: 許 妍)