張 軍, 白亞強(qiáng), 翟樹(shù)成, 張國(guó)平, 徐良浩
(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214082)
長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)流向渦結(jié)構(gòu)PIV試驗(yàn)研究
張 軍*, 白亞強(qiáng), 翟樹(shù)成, 張國(guó)平, 徐良浩
(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 無(wú)錫 214082)
魚(yú)類(lèi)的高效、低噪聲、高機(jī)動(dòng)游動(dòng)為水下航行體推進(jìn)技術(shù)研究提供了很好的啟發(fā)與借鑒。尼羅河魔鬼魚(yú)依靠長(zhǎng)背鰭波動(dòng)推進(jìn),可以在主體基本不變形下巡游,還可以通過(guò)改變波動(dòng)方向敏捷地倒退或前進(jìn)。對(duì)于這種推進(jìn)模式國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了一些仿生推進(jìn)水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)流動(dòng)渦結(jié)構(gòu)也有一些數(shù)值計(jì)算研究,但對(duì)流動(dòng)渦結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究開(kāi)展很少,因而數(shù)值計(jì)算方法也缺乏充分的驗(yàn)證。本文針對(duì)MPF(Median and/or Paired Fin,中央/對(duì)鰭)模式長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn),采用相位同步PIV技術(shù)測(cè)量了系泊狀態(tài)下首、中、尾部及尾流不同相位橫截面流場(chǎng),采用相位平均方法計(jì)算獲得平均速度場(chǎng),進(jìn)一步提取分析了流向渦渦結(jié)構(gòu)特征及其隨相位的演變規(guī)律,為長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)渦結(jié)構(gòu)數(shù)值預(yù)報(bào)和水動(dòng)力機(jī)理揭示提供了試驗(yàn)依據(jù)與支撐。
仿生推進(jìn);波動(dòng)鰭;PIV;渦結(jié)構(gòu);流向渦
魚(yú)類(lèi)經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的自然進(jìn)化,獲得了對(duì)水中復(fù)雜環(huán)境的高度適應(yīng)性。與傳統(tǒng)的推進(jìn)方式相比,魚(yú)類(lèi)的游動(dòng)具有高效率、低噪聲、高機(jī)動(dòng)性等諸多優(yōu)點(diǎn),對(duì)改進(jìn)現(xiàn)有的水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)具有重要的啟發(fā)與借鑒作用[1-3]。因此。仿生推進(jìn)是目前推進(jìn)技術(shù)研究頗為關(guān)注的一個(gè)方向。
目前國(guó)內(nèi)外已有不少研究人員進(jìn)行了波動(dòng)鰭推進(jìn)構(gòu)型、水動(dòng)力及推進(jìn)機(jī)理方面的研究。2003年,美國(guó)西北大學(xué)的Maclver等人仿裸背鰻科魚(yú)“黑魔鬼”的長(zhǎng)臀鰭扭波推進(jìn),設(shè)計(jì)出用于水下自主航行器的帶狀鰭推進(jìn)器,并研制出電機(jī)驅(qū)動(dòng)的仿生波動(dòng)鰭原型系統(tǒng)[4]。新加坡南洋理工大學(xué)模仿黃貂魚(yú)的胸鰭結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng),于2005年研制出仿生波動(dòng)鰭機(jī)械裝置,并構(gòu)建了用一對(duì)側(cè)向波動(dòng)鰭推進(jìn)的仿黃貂魚(yú)水下機(jī)器人[5-6]。2008年,Shirgaonkar等采用浸沒(méi)邊界法數(shù)值求解了弱電刀魚(yú)扭波推進(jìn)的水平、橫向和垂向3個(gè)方向的水動(dòng)力[7]。2010年Rahman等開(kāi)展了雙波動(dòng)鰭周?chē)鲃?dòng)的數(shù)值計(jì)算,研究推力產(chǎn)生的機(jī)理[8-9]。研究表明,推力和推進(jìn)效率主要依賴(lài)于長(zhǎng)寬比和鰭角。2013年Rahman等通過(guò)自航試驗(yàn)和準(zhǔn)定常數(shù)值模擬方法,研究了仿墨魚(yú)水下機(jī)器魚(yú)雙鰭推進(jìn)系統(tǒng)的制動(dòng)性能。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算的水動(dòng)力參數(shù)來(lái)求解準(zhǔn)定常運(yùn)動(dòng)方程,并與自航試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較[10]。
國(guó)內(nèi)不少學(xué)者開(kāi)展了尾鰭、胸鰭擺動(dòng)仿生推進(jìn)技術(shù)的研究,包括數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)研究,并取得了可喜進(jìn)展[11-13],但開(kāi)展長(zhǎng)背鰭波動(dòng)扭波推進(jìn)技術(shù)研究的則較少。
尼羅河魔鬼魚(yú)(Gymnarchus Niloticus Fish, GNF)的游動(dòng)特點(diǎn)主要有:推進(jìn)效率較高,機(jī)動(dòng)靈活,一般巡游時(shí)身體主體保持為直線(xiàn),僅采用長(zhǎng)背鰭扭波推進(jìn)。大量觀測(cè)發(fā)現(xiàn),GNF鰭條的擺動(dòng)幅度通常在±60°~±90°,而且在通常的巡游狀態(tài),鰭條擺角都接近±90°,只有在控制懸?;蚍浅5退儆蝿?dòng)時(shí),鰭條擺角取較小的值(約±60°)。
王光明等開(kāi)展了長(zhǎng)背鰭波動(dòng)推進(jìn)的理論分析和試驗(yàn)研究[14],鰭條最大擺幅為30°。2010年,浙江大學(xué)的劉芳芳等開(kāi)展了仿墨魚(yú)側(cè)鰭波動(dòng)推進(jìn)的研究。其采用單根鰭條為驅(qū)動(dòng)源,通過(guò)鰭條的擺動(dòng)帶動(dòng)鰭面運(yùn)動(dòng),并將振動(dòng)向后傳遞而在鰭面上形成推進(jìn)波形。此外還通過(guò)粒子流態(tài)顯示,定性描述了尾鰭擺動(dòng)與長(zhǎng)鰭波動(dòng)時(shí)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的差異[15]。
2011年,海軍工程大學(xué)與中國(guó)船舶科學(xué)研究中心合作開(kāi)展了長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)的DPIV流場(chǎng)測(cè)量探索性試驗(yàn)[16]。試驗(yàn)捕捉到了長(zhǎng)背鰭附近局部非定常三維流場(chǎng)和瞬時(shí)渦結(jié)構(gòu)。在鰭首處觀察到了強(qiáng)抽吸現(xiàn)象,而鰭尾則表現(xiàn)為向后下方的射流。但由于沒(méi)有采用相位同步測(cè)量技術(shù),所攝錄的流動(dòng)粒子圖像是隨機(jī)的,難以進(jìn)行流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征及演化規(guī)律的深入分析。
本文以尼羅河魔鬼魚(yú)為仿生研究對(duì)象,針對(duì)MPF模式長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn),采用相位同步PIV技術(shù)測(cè)量系泊狀態(tài)下首、中、尾部不同相位橫截面流場(chǎng),采用相位平均方法計(jì)算獲得平均速度場(chǎng),進(jìn)一步提取分析流向渦渦結(jié)構(gòu)及其隨相位的演變特征。
波動(dòng)推進(jìn)長(zhǎng)鰭由柔性橡膠制成,鰭面總長(zhǎng)度L=768mm,鰭面高度h=50m,鰭面波長(zhǎng)λ/L=0.5。鰭面由25根沿軸向均勻分布的剛性鰭條主動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制,鰭條間距為32mm。鰭條可在垂直于軸向的橫截面內(nèi)由齒輪機(jī)構(gòu)帶動(dòng)做往復(fù)擺動(dòng)(見(jiàn)圖1),最大擺幅為85°。本試驗(yàn)在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心大型分層流水池中進(jìn)行,試驗(yàn)水池長(zhǎng)25m,寬3m,深1.5m,水池框架采用不銹鋼材料加工,池壁采用透明的鋼化玻璃制成。試驗(yàn)時(shí)水池水深為900mm,試驗(yàn)推進(jìn)模型浸深為450mm,試驗(yàn)?zāi)P屯ㄟ^(guò)長(zhǎng)劍固定于拖車(chē)上。
本試驗(yàn)PIV系統(tǒng)構(gòu)成如下:雙腔脈沖激光器Quantel Twins Brilliant B,波長(zhǎng)325nm、脈沖能量425mJ、脈沖頻率10Hz;互相關(guān)CCD相機(jī)TSI PowerViewPlus 4M,2048pixel×2048pixel;Nikon鏡頭,焦距200mm;同步控制器,TSI LaserPlus 6100,時(shí)間分辨率1ns;編碼器Rotary Encoder E80H30-1024-6-L-5,相位分辨率0.35°。
通過(guò)在電機(jī)軸上安裝編碼器獲得電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角度,進(jìn)而通過(guò)傳動(dòng)關(guān)系計(jì)算得到主動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)角度,從而也就得到了波動(dòng)鰭面的相位。本模型電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率與波動(dòng)長(zhǎng)鰭的擺動(dòng)頻率之比為1∶3。
在試驗(yàn)過(guò)程中,將編碼器獲取的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)角度信號(hào)傳遞給同步控制器,由同步控制器依次發(fā)出信號(hào)給CCD相機(jī)、激光器,從而采集到設(shè)定相位下流場(chǎng)粒子圖像。本試驗(yàn)中鰭面的最大擺角Φmax=85°,將其在一個(gè)周期內(nèi)分為8等分,并確定出與之對(duì)應(yīng)的電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角度。
設(shè)相位序號(hào)分別為1~8,所對(duì)應(yīng)的電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)角度分別為: 15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°和120°,則鰭面擺角分別為:1/2Φmax(順時(shí)針)、0(順時(shí)針)、-1/2Φmax(順時(shí)針)、-Φmax(順時(shí)針)、-1/2Φmax(逆時(shí)針)、0(逆時(shí)針)、1/2Φmax(逆時(shí)針)、Φmax(逆時(shí)針)。
流場(chǎng)測(cè)量的坐標(biāo)系是以長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)軸(長(zhǎng)度方向)為x軸,鰭面的中矢面為xoy平面(即各鰭條恢復(fù)至0相位時(shí)所形成的平面),y軸垂直于x軸,z軸方向按右手法則確定,坐標(biāo)系的原點(diǎn)o位于長(zhǎng)鰭驅(qū)動(dòng)軸的一端。
本文選取了4個(gè)不同軸向位置的橫截面(yoz平面)進(jìn)行2D-PIV測(cè)量,每個(gè)截面均測(cè)量了8個(gè)相位。測(cè)量截面的位置選取如圖2所示,首部、中部、尾部和尾流橫截面位置分別為:x=96、384、672和866mm。
本試驗(yàn)中激光器從水池底部打光,CCD相機(jī)從水池側(cè)面攝像(見(jiàn)圖3)。
本試驗(yàn)采用TSI公司INSIGHT3G軟件對(duì)PIV圖像進(jìn)行分析,診斷窗口為32pixel×32pixel,視場(chǎng)為210mm×210mm,空間分辨率為1.64mm。試驗(yàn)中對(duì)于每個(gè)測(cè)量平面每個(gè)相位連續(xù)采集了100對(duì)粒子圖像,以便進(jìn)行相位平均下的流場(chǎng)分析。
本試驗(yàn)測(cè)量了系泊狀態(tài)下柔性長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)模式的橫截面流場(chǎng),扭波頻率f=2.0Hz。圖4為某一時(shí)刻拍攝到的鰭面首部橫截面流場(chǎng)數(shù)據(jù),其中圖4(a)為含鰭面圖像的瞬時(shí)速度矢量圖,圖4(b)為瞬時(shí)速度云圖及其流線(xiàn)圖。由于鰭面的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)條件所限,無(wú)法獲取被鰭面及其陰影所覆蓋的流場(chǎng)區(qū)域數(shù)據(jù),如圖4(b)中空白區(qū)域所示。圖4(c)為100次同相位瞬時(shí)速度場(chǎng)數(shù)據(jù)得到的橫截面內(nèi)平均速度值云圖及橫截面流線(xiàn)圖,圖中的灰色粗實(shí)線(xiàn)表示此相位下鰭面的截線(xiàn)位置。與圖4(b)相比,由于平均處理后去除了數(shù)據(jù)中的瞬態(tài)隨機(jī)誤差,圖4(c)中流線(xiàn)更為光順。
圖5為鰭面首部截面(x=96mm)相位平均軸向速度場(chǎng)分布云圖及面內(nèi)流線(xiàn)圖,及其隨相位的序列變化,灰色實(shí)線(xiàn)表示該時(shí)刻鰭面與該橫截面的交線(xiàn)。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
由圖5可以看出:
(1) 在鰭面波動(dòng)周期內(nèi)的任一時(shí)刻,在其首部橫截面上都可以觀察到流向渦的存在,且隨著鰭面的周期性擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),流向渦會(huì)周期性地生成和脫落;
Fig.5Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinforepartcrosssection
(2) 當(dāng)鰭面運(yùn)動(dòng)到最大擺角位置附近時(shí),開(kāi)始有新的渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。在1個(gè)周期內(nèi)生成2個(gè)渦,一個(gè)是在左邊最大擺角,另一個(gè)是在右邊最大擺角。當(dāng)鰭面擺動(dòng)到中垂面附近時(shí),已經(jīng)發(fā)展的流向渦開(kāi)始潰散;
(3) 在鰭面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,從橫截面內(nèi)來(lái)看流體從周?chē)飨蝣捗?,并從鰭面梢部向外射出?/p>
圖6為鰭面中部截面(x=384mm)相位平均軸向速度場(chǎng)分布云圖及面內(nèi)流線(xiàn)圖,及其隨相位的序列變化,灰色實(shí)線(xiàn)表示該時(shí)刻鰭面與該橫截面的交線(xiàn)。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
Fig.6Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinmiddlecrosssection
可以觀察到,與鰭面首部橫截面相比,其流場(chǎng)具有相似的渦結(jié)構(gòu)特征和演化規(guī)律,只不過(guò)在中部橫截面上同時(shí)存在更多的流向渦,從鰭面基線(xiàn)向梢部方向,渦的旋轉(zhuǎn)方向是交替變化的。流向渦的產(chǎn)生、發(fā)展和消散過(guò)程表現(xiàn)得更加清晰。另外還可以觀察到,在中部橫截面流場(chǎng)中高速射流條帶更加明顯,且射流主方向在鰭面中矢面左右擺動(dòng)。
圖7為鰭面尾部截面(x=672mm)相位平均軸向速度場(chǎng)分布云圖及面內(nèi)流線(xiàn)圖,及其隨相位的序列變化,灰色實(shí)線(xiàn)表示該時(shí)刻鰭面與該橫截面的交線(xiàn)。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
Fig.7Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinposteriorcrosssection
可以看到,其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征和演化規(guī)律與鰭面中部橫截面有一定的相似。不同的是在渦結(jié)構(gòu)消散的過(guò)程中,在渦心位置會(huì)形成流場(chǎng)源點(diǎn),表明該截面上的流體會(huì)隨著渦結(jié)構(gòu)的潰散產(chǎn)生出一股軸向射流。
圖8為鰭面尾流中截面(x=866mm)相位平均軸向速度場(chǎng)分布云圖及面內(nèi)流線(xiàn)圖,及其隨相位的序列變化。分圖(a)~(f)代表不同的相位,分別為45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。
可以看到,該截面流動(dòng)渦結(jié)構(gòu)和演化規(guī)律與鰭面首部、中部、尾部橫截面已不一樣,尾流中橫截面上的流動(dòng)結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定,隨鰭面相位的變化不大,在鰭面下方的兩側(cè)會(huì)形成2個(gè)穩(wěn)定的大尺度流向渦結(jié)構(gòu),流體從鰭面梢部向外流出,在2個(gè)渦結(jié)構(gòu)之間形成一股垂直向下的射流。
Fig.8Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinthewake
以尼羅河魔鬼魚(yú)為仿生研究對(duì)象,針對(duì)MPF模式長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn),采用相位同步PIV技術(shù)測(cè)量了系泊狀態(tài)下首、中、尾部不同相位橫截面流場(chǎng),利用100個(gè)同相位瞬時(shí)速度場(chǎng)進(jìn)行相位平均計(jì)算獲得平均速度場(chǎng),進(jìn)一步分析了流向渦渦結(jié)構(gòu)及其隨相位的演變特征。試驗(yàn)表明:
(1) 隨著鰭面的周期性擺動(dòng),渦結(jié)構(gòu)會(huì)周期性地生成和脫落; 在一個(gè)周期內(nèi)會(huì)生成2個(gè)渦,分別在左、右最大擺角鰭面附近生成。同時(shí),當(dāng)鰭面擺動(dòng)到中垂面附近時(shí),已充分發(fā)展的流向渦開(kāi)始消散;
(2) 中部與首部橫截面具有相似的流動(dòng)結(jié)構(gòu)特征和演化規(guī)律,只不過(guò)在中部橫截面上流向渦數(shù)目增加,從鰭面基線(xiàn)向梢部方向,流向渦的旋轉(zhuǎn)方向交替變化;尾部橫截面流場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征和演化規(guī)律與鰭面中部橫截面有一定相似性,不同的是在流向渦消散過(guò)程中,會(huì)伴隨產(chǎn)生一股軸向射流;與鰭面首部、中部、尾部橫截面不一樣,尾流中橫截面上的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)隨鰭面相位的變化不大。尾流中在鰭面下方的兩側(cè)形成2個(gè)穩(wěn)定的大尺度流向渦結(jié)構(gòu),左右基本對(duì)稱(chēng)分布,旋向相反;
(3) 在首部鰭面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,在橫截面內(nèi)流體從四周流向鰭面,并從鰭面梢部向外射出。在中部、尾部橫截面流場(chǎng)中射流特征更加明顯,且射流主方向在鰭面中矢面左右擺動(dòng)。在尾流中橫截面上鰭面下方兩側(cè)的2個(gè)穩(wěn)定的大尺度渦結(jié)構(gòu)之間,形成一股從鰭面梢部向外的垂直射流。
通過(guò)對(duì)長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)流場(chǎng)橫截面相位同步的2D-PIV試驗(yàn)與分析,對(duì)流向渦結(jié)構(gòu)主要特征及其隨相位演變規(guī)律有了基本的認(rèn)識(shí),為長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)水動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析打下基礎(chǔ),也為該種推進(jìn)方式流場(chǎng)渦結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證提供了依據(jù)。
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PIVmeasurementonstreamwisevortexgeneratedbyundulatingfins
Zhang Jun*, Bai Yaqiang, Zhai Shucheng, Zhang Guoping, Xu Lianghao
(National Key Lab on Ship Vibration and Noise, China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)
The Gymnarchus Niloticus Fish (GNF) with long undulating fins generally cruises with high efficiency and extra-ordinal maneuverability while keeping its body for straight line. The flow field around andulating fins are measured by phase-locked PIV in the stationary water. Four cross sections including front part, middle part, after-body and wake flow are measured, respectively. Eight equal spaced phases are measured at each cross section,and one hundred instantaneous velocity fields are phase-averaged analyzed to extract the characteristics of vortex structure at each phase. The results indicate in cross sections the streamline vortexes are periodically generated near the fin tip as the fin swings to nearby maximum angle, and shed from the tip of the fin surface, There are two streamwise vortexes generated during each period at the two side maximum angle. On the other hand, as fin swings to the near mid-sagittal plane in the cross section, the fully developed streamwise vortexes begin to decay, and finally disappear. Meanwhile a high speed jet is generated in the direction from the root to the tip of the fin. Comparing the flow structure in the forepart, middle part and posterior cross sections, it is obvious that the streamwise vortex structure and its evolution with phases are similar in these three sections. From the forepart to the posterior along the shaft axis, the flow structure becomes more and more complicated as waves spread downstream, the jet ejected outward from the fin tip becomes stronger, and its sphene of influence seems enlarged. But the flow structure in the wake is different from the above three cross sections, which is less changed with the wave phases. The two large streamwise vortexes are formed under the fin surface, and stably and symmetrically locate on two sides of the mid-sagittal plane with opposite rotation directions.
bionic propulsion; undulating fins;PIV;vortex structure;streamwise vortex
1672-9897(2017)06-0015-07
10.11729/syltlx20170017
2017-01-25;
2017-08-18
國(guó)家自然科學(xué)基金(51379193)
*通信作者 E-mail: zhangjuncssrc@163.com
ZhangJ,BaiYQ,ZhaiSC,etal.PIVmeasurementonstreamwisevortexgeneratedbyundulatingfins.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 15-21. 張 軍, 白亞強(qiáng), 翟樹(shù)成, 等. 長(zhǎng)鰭波動(dòng)推進(jìn)流向渦結(jié)構(gòu)PIV試驗(yàn)研究. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2017, 31(6): 15-21.
O352
A
張軍(1967-),男,江蘇如東人,研究員。研究方向:仿生水動(dòng)力學(xué)與流動(dòng)控制。通信地址:無(wú)錫市濱湖區(qū)山水東路222號(hào)(214082)。E-mail: zhangjuncssrc@163.com
(編輯:張巧蕓)