仿鳐鱼水下航行器动态流体仿真

盛兆华, 杨 朔

仿鳐鱼水下航行器动态流体仿真

盛兆华, 杨 朔

(中国船舶集团有限公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650106)

具有中间鳍/对鳍(MPF)推进模式的仿生水下航行器, 因其优良的机动性、稳定性, 在海洋科考、海洋资源开发以及军事侦查领域具有明显的应用优势, 文中建立了MPF推进模式的典型代表——仿鳐鱼水下航行器外形轮廓和游动方程, 分析了仿生参数对其游动的影响, 并通过Fluent UDF编写游动方程, 实现仿鳐鱼水下航行器动态流体仿真。仿真结果表明: 仿鳐鱼鱼鳍波动形成旋向相反的尾涡并不断向后脱离, 提供向前推力, 为仿鳐鱼水下航行器设计提供技术参考。

仿鳐鱼水下航行器; 游动方程; 推进机理

0 引言

近几十年, 各国研究人员研制出大量具有自然生物运动特点的仿生型水下航行器, 其具有作业范围广、机动性和隐蔽性好、噪声低等优点, 克服了传统螺旋桨推进方式的效率低、机动性差、噪声大等方面缺点, 在海洋科研考察、海洋资源开发以及军事领域具有很大的应用前景[1]。

主流的仿生水下航行器推进方式主要有身体/尾鳍(body and/or caudal fin, BCF)推进模式、中间鳍/对鳍(median and/or paired fin, MPF)推进模式2大类, 2种模式具有不同的特点。BCF推进模式主要借助鱼类尾鳍和鱼身后半段摆动产生推进力, 而MPF推进模式主要靠鱼类背鳍、胸鳍和腹鳍等多种柔性鳍产生推进力。采用MPF推进模式的仿生水下航行器[2]虽然游动速度不快, 但在低速场合具有优良的机动性和稳定性, 可实现实时悬停。MPF推进模式的仿生型水下航行器腹部可安装多种多用途的侦查探测设备, 更适用于对侦查环境机动性要求较高的场合。

作为典型MPF推进模式的鱼类——鳐鱼, 受到国内外学者更多的关注与研究。Fish等[3-5]建立了鳐鱼胸鳍运动模型及计算流体动力模型, 系统性地研究了鳐鱼游动行为对其三维流场的影响, 并对其游动效率进行分析, 发现其鱼鳍的运动是不对称的向上或向下拍打运动, 其净推力一半由鳍尖部分产生。何建慧等[6-7]以鳐鱼胸鳍为研究对象, 建立了仿生鳍波动的二维数学模型, 比较分析了在不同运动参数下仿生鳍无量纲阻力系数随时间的变化规律。杨少波等[8-9]基于鱼类胸鳍模式的运动学模型, 研究物理参数和运动参数对推进波形的影响, 并对其进行流体仿真, 探讨其运动规律。陈怀远等[10]根据鳐鱼胸鳍波动推进的特点, 建立仿生环形胸鳍的运动学模型, 利用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)对胸鳍波动推进过程进行数值计算, 分析了波动胸鳍产生的拉力及速度等推进性能。李宁宇等[11]采用改进的浸入边界法研究了胸鳍简化模型的高度三维特性尾涡结构, 系统性地探讨了运动参数对拍动翼尾结构和水动力性能的影响, 并深入探讨水动力性能随参数变化的内在机制。

上述研究大多仅考虑仿鳐鱼波动或摆动运动, 未综合考虑其波动与摆动耦合运动; 仿生鳍展长运动幅值呈线性, 未考虑仿生鳍柔性运动特点。多数仿生鳍流体仿真采用静态仿真, 无法真正模拟鱼鳍运动形态及过程, 动态仿真方法表述不清或操作复杂, 无普适操作性。

文中以鳐鱼为研究对象, 建立仿鳐鱼游动模型, 给出仿生参数对其游动的影响。通过Fluent UDF自编程序, 实现仿鳐鱼的动态流体仿真, 最后对仿鳐鱼推进机理进行了阐述。

1 游动模型建立

建立仿鳐鱼游动模型的目的是为动态流体仿真提供精确的数学模型, 通过游动模型中关键仿生参数可以控制其游动形态, 从而达到模拟真实鳐鱼的游动。

1.1 游动方程

Rosenberger[12]和Blevins[13]通过高速摄像机记录鳐鱼在水箱内游动过程, 如图1所示。鳐鱼通过由前至后摆动胸鳍向前游动。

图1 鳐鱼游动过程

图2 仿鳐鱼坐标系

仿生鳍平铺至中性面外形轮廓可由任意连续函数描述, 文中采用抛物线函数, 即

从式(3)可以看出, 仿生鳍游动为波动与摆动的耦合运动, 考虑到鱼鳍的柔性运动, 仿生鳍展长运动幅值呈指数型变化。

1.2 仿生参数对游动影响

2 动态网格生成

通过 UDF编程在Fluent中生成仿生鳍的动态网格。具体实现步骤如图4所示。

图3 仿生参数对仿生鳍游动的影响

图4 动态流体仿真实现步骤

反算与网格节点对应仿生鳍外形坐标

式中, lambert为朗伯函数。

其中

3 动态流体仿真

3.1 仿真模型

时间离散采用欧拉隐式离散方法, 空间离散为1阶迎风离散格式, 湍流计算模型为重整化群(renormalization group, RNG)-模型, 游动周期为0.2 s, 计算时间步长为0.001s。

表1 仿生参数

3.2 仿真结果

计算时长为6 s, 即30个周期, 结果如图 5和图6所示。其中, 图5为仿生鱼鳍0.5倍展长截面的速度矢量分布图, 图6为仿生鱼鳍尾涡示意图。仿生鱼鳍速率沿展向、弦向增大, 在鳍尖处最大, 此处游动幅度也最大。5.84 s和5.94 s时, 仿生鱼鳍向上波动, 此时在尾部形成逆时针的尾涡; 5.88 s和5.92 s时, 仿生鱼鳍向下波动, 此时尾涡为顺时针方向。仿生鱼鳍游动形成旋向相反的尾涡并不断向后脱离, 形成涡环, 提供向前推力。

4 结束语

图5 仿生鱼鳍速率矢量图

图6 仿生鱼鳍尾涡示意图

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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

盛兆华, 杨朔. 仿鳐鱼水下航行器动态流体仿真[J]. 水下无人系统学报, 2021, 29(3): 308-312.

2020-06-19;

2020-09-29.

盛兆华(1992-), 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水下航行器动力推进技术.

(责任编辑: 许 妍)