熊仲營,劉越堯

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江,212100)

0 引言

在逃避捕獵者、追捕獵物和遷移的自然選擇壓力下,魚類已經(jīng)演化出優(yōu)秀的水下機動性能[1],其中鮪科為身體/尾鰭(body and caudal fin,BCF)游動模式魚類,具有較高的游動速度和游動效率,因此成為了仿生水下機器魚的理想生物原型。這種能力激起了更多工程師和研究者去研究其游動推力、阻力、功率消耗、效率和機動性能的潛在機理。鮪科魚類的推動方式可歸納為基于尾鰭的升力基法,而尾鰭的形狀差異性也被認(rèn)為是不同游動行為的主要決定因素之一。

對于一個優(yōu)秀的仿生自主水下航行器(autonomous undersea vehicle,AUV)而言,尋求一個有利的仿生尾鰭推進器是工程應(yīng)用的關(guān)鍵。然而,Salazar 等[2]認(rèn)為現(xiàn)代的機器魚仍然不能復(fù)制特定魚類的機動性特征,且缺少有效率的推進器。Yu等[3]認(rèn)為目前仿生水下航行器樣機尚無法做到內(nèi)在機理上的相似,造成性能偏差的主要原因是對魚體的主動驅(qū)動特性和流體控制機制尚不清晰,從而制約了仿魚形水下航行器的高效推進性能。在這方面,一個優(yōu)化或理想的尾鰭形狀已經(jīng)變成許多學(xué)者追求的目標(biāo)[4-5]。Webb 等[6]總結(jié)了帶有不同形狀尾鰭的形式和功能差異,例如,帶有窄尾柄的叉狀或者半月形尾鰭能夠提供加強型游動經(jīng)濟性。Low 等[7]發(fā)現(xiàn)即使低長寬比尾鰭具有較大的鰭面面積,但帶有較高長寬比的尾鰭能在產(chǎn)生每單元推力和升力的同時引起較小的阻力。另外,Geder 等[8]研究了尾鰭鰭面面積對推進力的影響,得出當(dāng)鰭面面積增加3 倍時,推進力增加了9 倍。Borazjani 等[9]發(fā)現(xiàn)在鳥和昆蟲飛行中翼的前緣渦的再附著也發(fā)生在類魚類游動中,許多魚類的游動是通過身體波動帶動尾鰭擺動實現(xiàn)推進運動,并證實了波動速度比游動速度更高,這個過程可以抑制沿魚體的流動分離,且有助于前緣渦的再附著。Krishnadas 等[10]總結(jié)出尾鰭的推力主要源于推動流體向下流運動而產(chǎn)生的附加質(zhì)量力、渦增推力和產(chǎn)生的前緣渦。Xiong 等[11]研究了擺動尾鰭前緣渦的產(chǎn)生和攻角之間的關(guān)系。然而,這些研究成果并沒有充分考慮前緣渦誘導(dǎo)產(chǎn)生的渦增推力對總推力的貢獻度,且尾鰭推進機理的研究又受限于尾鰭形狀的多樣性,因此這些研究是不充分的。

盡管學(xué)者們付出了許多努力,但尾鰭形狀對于推進力性能的影響并沒有被完全揭示[12-15]。在最近幾十年內(nèi),生物推進的研究領(lǐng)域已經(jīng)進行了許多基于計算流體動力學(xué)的數(shù)值研究和采用數(shù)字粒子圖像測速(digital particle image velocimetry,DPIV)方法的實驗研究。然而,當(dāng)進行DPIV 實驗研究時,由于分辨率或者光線限制的緣故,一些關(guān)鍵領(lǐng)域通常呈模糊狀態(tài),比如擺動尾鰭的前緣附近區(qū)域[9]。因此,更多研究關(guān)注在尾鰭的尾跡區(qū)域。但是,計算流體動力學(xué)仿真能夠可視化這些關(guān)鍵區(qū)域的流動特性,并可檢測潛在的流動機理。為了更好地識別尾鰭形狀對于推進性能的影響,有計劃地改變類鰭推進器的平面結(jié)構(gòu)是一種常見的方法。然而,尾鰭的前緣和后緣也分別能夠影響推進性能,這就難以對鮪科魚類叉狀尾鰭的推進性能提出歸一性的評估方法。

文中為了研究叉狀尾鰭效率轉(zhuǎn)捩點的特征,將對推力產(chǎn)生和功率消耗的源項進行重點分析,目的是得出鮪科魚類叉狀尾鰭的高效推進內(nèi)在作用機理,為水下仿生機器魚推進器的設(shè)計和優(yōu)化提供參考。

1 計算模型及研究方法

1.1 計算模型

為了揭示叉狀尾鰭效率轉(zhuǎn)捩點的特征,采用3 種鮪科魚類叉狀尾鰭結(jié)構(gòu)模型,分別命名為Model-1,Model-2 和Model-3,從形態(tài)上分別類似于鮪魚、扁舵鰹和灰躍鰹,如圖1 所示。

圖1 尾鰭模型和掃掠角定義Fig.1 The shape of the three caudal fin models and the definition of the sweep angle

圖1 中,3 種模型的最大弦長分別為0.1 m、0.073 3 m 和0.126 7 m。更多的幾何特征數(shù)據(jù)見表1,其中Sr2和Sr3分別為無量綱化2 階矩面積和3 階矩面積,定義為

表1 3 種模型的幾何參數(shù)Table 1 Geometric parameters of the three models

式中:r為尾鰭任意前緣位置到俯仰軸之間的距離;rmax為尾鰭弦向頂點與俯仰軸之間的距離,其值等于弦長c;S為尾鰭表面積;θ為掃掠角,定義為前緣頂點到后緣展向頂點之間的連線和俯仰軸之間的夾角。

從上表可以得出,3 種尾鰭具有相同的表面積、展弦比Ω和叉長b。這種布置形式顯示了尾鰭除了弦向長度不同外,具有明顯的相似性。不同的掃掠角雖然對應(yīng)不同的弦長,但3 種尾鰭的掃掠角一旦被確定,其前緣和后緣形狀也相應(yīng)地被確定下來,因此叉狀尾鰭的外形平面結(jié)構(gòu)也就被確定。為了統(tǒng)一尾鰭形狀的尺度,選取掃掠角來表征3 種不同的叉狀尾鰭結(jié)構(gòu)。另外,這種幾何結(jié)構(gòu)也確定了任意展向水平下都具有相同的從前緣到后緣的下游面積,從而使前緣渦的演化過程具有相同的激活時間。因此,這3 種尾鰭模型均較好地滿足了控制研究要求的形狀孤立因素。

1.2 運動模型

鮪科魚類叉狀尾鰭的運動形式可設(shè)定為沉浮-俯仰運動,表示為

式中:h為沉浮運動位移;Ψ為俯仰角,幅值為Ψ0;h0為尾鰭沉浮運動的幅值,其數(shù)值等于尾柄末端的波動幅值;ω為尾鰭擺動角頻率;沉浮-俯仰運動之間存在著運動滯后,即存在相位差φ,全文取φ=90°。文中h0=0.05 m,Ψ0=25°。

決定推力和阻力的動量轉(zhuǎn)換機制因素有: 雷諾數(shù)Re=Uc/υ,斯特勞哈爾數(shù)St=fA/U和尾鰭展弦比Ω=b2/S,其中,U為來流速度;c為弦長;υ為介質(zhì)運動粘性系數(shù);f為尾鰭的擺動頻率,f=1 Hz;A通常被認(rèn)為等于沉浮運動幅值的2 倍,即2h0,通過改變來流速度可獲取不同的St。

Fx(t),Fy(t)和Mz(t)分別為瞬時推進力、瞬時側(cè)向力和瞬時力矩,表示為

式中:nx,ny分別為鰭面沿x方向和y方向的法向單位向量;pn為尾鰭表面微元面積dS上的總壓強。在1 個給定的擺動周期T內(nèi),尾鰭的平均推進力

尾鰭的平均輸出功率為有用功率或推進功率,為

擺動尾鰭的瞬時總功率P(t)可以理解為灌輸給尾鰭的用于克服流體力的總能量,目的是為了維持沉浮-俯仰運動,表示為

式中負(fù)號表示側(cè)向力Fy(t)和繞俯仰軸的力矩Mz(t)是來源于流體介質(zhì)的反作用力。1 個周期內(nèi)的平均輸入功率可表示為

從而,水動力推進效率η可定義為有助于推進的輸出功率和總輸入功率之比,即

1.3 仿真研究及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

在動邊界流體域求解方法中,重疊網(wǎng)格技術(shù)可生成適合復(fù)雜幾何邊界的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,但頻繁在重疊網(wǎng)格界面之間進行插值將對三維非定常流場求解的效率和準(zhǔn)確性造成影響[16]。同時,采用浸入邊界法對“銳邊界”相關(guān)的動邊界流動問題求解時,在浸入邊界附近會出現(xiàn)違反幾何守恒定律的情況,造成所謂的“偽”壓力振動[17]。但是,貼體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格沒有這些問題。

針對鮪科尾鰭的動邊界擺動過程進行仿真,尾鰭的實際擺動運動通過ANSYS Fluent 軟件的用戶自定義函數(shù)(user define function,UDF)中DEFINE_CG_MOTION 宏進行規(guī)劃,其可以預(yù)設(shè)叉狀尾鰭擺動運動所包含的俯仰速度和沉浮速度。湍流模型采用了SSTk-ω模型,PRESTO!和QUICK 項則分別用于離散壓力和力矩方程。計算區(qū)域尺度沿x,y和z方向分別設(shè)置為20c×10c×8c,尾鰭的前端端點到進口的距離為5c。計算域入口和出口分別設(shè)定為pressure-inlet 和outflow 邊界條件,擺動尾鰭表面滿足無滑移壁面條件,計算域的其他面則設(shè)定為symmetry 邊界條件。

計算域內(nèi)的網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,四面體網(wǎng)格用于空間離散三維計算域,并進行網(wǎng)格動態(tài)更新。網(wǎng)格無關(guān)性研究選取了4 種不同分辨率的網(wǎng)格作為研究對象,獲取4 種分辨率網(wǎng)格主要是通過改變尾鰭表面的節(jié)點數(shù)和三維計算區(qū)域的單元數(shù)來實現(xiàn),即增加尾鰭表面和尾鰭附近區(qū)域的節(jié)點和單元數(shù),以及整個計算區(qū)域體的總單元數(shù)。4 種網(wǎng)格分辨率分別為36.9×104(Grid-1),58.2×104(Grid-2),12×105(Grid-3),和19.5×105(Grid-4)。網(wǎng)格無關(guān)性研究主要是通過檢測平均推力系數(shù)和效率η隨著總單元數(shù)的變化規(guī)律,如圖2 所示。計算結(jié)果也顯示了Grid-3 和Grid-4 之間具有較小的差異。更者,Grid-3 和Grid-4 時的平均推力分別為0.134 N 和0.132 N,相差3%。因此,選擇Grid-3 作為三維數(shù)值仿真的網(wǎng)格量級。

圖2 平均推力系數(shù)和效率隨單元數(shù)變化曲線(St=0.25)Fig.2 Curves of average thrust coefficient and efficiency with the number of units(St=0.25)

除此之外,圖3 顯示了所采用的Grid-3 和Grid-4 網(wǎng)格分辨率下的尾跡渦結(jié)構(gòu),并且發(fā)現(xiàn)在可見區(qū)域內(nèi)尾跡發(fā)夾渦結(jié)構(gòu)僅僅存在較小的差異。因此,三維模型所擁有的1.2×106網(wǎng)格單元量級對于尾跡渦結(jié)構(gòu)研究是合適的,同時也證實了數(shù)值方法可以有效模擬魚類叉狀尾鰭擺動過程的水動力特征。

圖3 2 種網(wǎng)格尺度下尾跡渦結(jié)構(gòu)對比Fig.3 Comparison of wake vortex structures at two grid scales

為了避免過大的網(wǎng)格變形,甚至負(fù)網(wǎng)格單元體,時間步長通常由流動速度和尾鰭速度決定。依據(jù)一般的經(jīng)驗法則,在1 個給定時間步長內(nèi),尾鰭邊界運動的距離需要小于最小單元尺度的一半。而文中三維仿真設(shè)定的時間步長為0.000 5 s,所采用的時間步長較好地滿足了這一標(biāo)準(zhǔn)。因此,文中所選擇的時間步長尺度是可以接受且可信的。

2 仿真結(jié)果及分析

2.1 推進效率與St 的關(guān)系

為了達到優(yōu)秀的巡游推進性能,最好的方法是采用一種較高的游動效率。圖4 顯示了在St=0.2～0.3 范圍內(nèi)3 種尾鰭模型的推進效率。其中3 種模型的效率轉(zhuǎn)捩點都在St=0.25 處獲得,因此選取St=0.2～0.3 作為研究范圍。從圖4 可知,Model-3 在上述范圍內(nèi)具有較高效率,Model-2 的效率較小,而Model-1 則處于兩者之間。

圖4 3 種模型的推進效率(St=0.2～0.3)Fig.4 Propulsion efficiency of three models with St numbers in the range of 0.2-0.3

2.2 推進力和功率與St 數(shù)的關(guān)系

圖5 和圖6 分別顯示了3 種尾鰭模型在St=0.2～0.3 范圍內(nèi)的時均推力和時均功率。值得注意的是,3 種模型的隨著St的增加而增加,并且三者之間的差距在轉(zhuǎn)捩點附近也變得越來越小。從圖中可以得出Model-3 的增長率最低,而Model-2 最高。然而,3 種模型的時均功率曲線都一致地隨著St的增加而增加。另外,從Model-3 到Model-1,再到Model-2,功率消耗在St=0.2～0.3 范圍內(nèi)連續(xù)增加。平均推力和功率的不同變化規(guī)律源于掃掠角的改變,也意味著來自前緣和后緣的差異,同時也可以看出影響平均推力和功率的源項是不同的。

圖5 3 種模型的時均推力(St=0.2～0.3)Fig.5 Time-averaged thrust of the three models with St numbers in the range of 0.2-0.3

圖6 3 種模型的時均功率(St=0.2～0.3)Fig.6 Time-averaged power of the three models with St numbers in the range of 0.2-0.3

對于St=0.2～0.3,Model-3 具有較高的效率,但是推力并不總是最大的,特別是在較高的St情況下。另外,Model-2 具有最低的效率,但卻有在較高St下較好地產(chǎn)生推進力的潛力。Model-1 則是處于兩者之間的中間狀態(tài),具有較高水平的推力和效率值。

2.3 叉狀尾鰭推力和功率的源項分析

Krishnadas 等[10]將尾鰭的推力F推力分解為附加質(zhì)量力F附加質(zhì)量力、渦增推力F渦增推力和前緣渦吸力F前緣吸力。前緣渦吸力是指在尾鰭前緣由于渦的分離造成的負(fù)壓。由于前緣渦量較小,因此前緣渦吸力通常相對較小。但隨著前緣渦不斷在尾鰭吸力面延伸、發(fā)展和脫落,在吸力面形成的負(fù)壓將會逐步增大從而形成渦增推力。附加質(zhì)量力是由于尾鰭的壓力面推動流體向下流運動而產(chǎn)生的流體附加質(zhì)量力,同時該附加質(zhì)量力也會對尾鰭形成反作用力,即附加質(zhì)量力實際為擺動尾鰭受到流體的反作用力。擺動尾鰭的推力可表示為

對于類似昆蟲和以尾鰭等擺動運動的生物推進功能部件,其推力和功耗水平可用S×Sr2和S×Sr3來表征,且S×Sr2在本質(zhì)上代表了尾鰭的“有效面積”。但對于不同的功能部件和運動方式的差異,S×Sr2和S×Sr3是否能表征叉狀尾鰭的推力和功耗水平是需要驗證的。圖7 和圖8 分別顯示了在St=0.2～0.3 范圍內(nèi)推力和功率隨著S×Sr2和S×Sr3的變化規(guī)律。從表1 中可以看出,Model-3 具有較大的掃掠角,但是它的S×Sr2和S×Sr3值卻是最小的,Model-2 卻恰恰相反,Model-1 則處于兩者之間。因此,在圖7 和圖8 中每條曲線的縱坐標(biāo)值是隨著橫坐標(biāo)值從Model-3 到Model-1,再到Model-2 的過程而相應(yīng)發(fā)生變化。在圖7 中,在St=0.2 時推力隨著S×Sr2值的增加而降低,而在St=0.25 時則近似呈水平狀態(tài),在St=0.3 時則有略微的增加,這種趨勢顯示有多種因素影響了推力的產(chǎn)生。由于Model-3 具有較小的有效面積,來自于流體的反作用力略小于其他模型。因此,對于Model-3在St=0.2 具有最大推力的唯一原因可能源于強烈的前緣渦和較大的渦增推力。另外,隨著St的增加,源于尾跡的反作用力變得更大,并且反作用力的份額也變得更大。因此,在St=0.3 時推力隨著S×Sr2值的增加而增加。圖8 顯示了在St=0.2～0.3范圍內(nèi)功率也隨著S×Sr3值的增加而增加。另外,其增長率也隨著St的增加而增加。盡管由于橫坐標(biāo)值差異較小造成可能的近似線性關(guān)系,但是推力和效率也并非分別與S×Sr2和S×Sr3值呈嚴(yán)格的線性關(guān)系。推力和S×Sr2值之間的非嚴(yán)格線性關(guān)系除了強烈的非穩(wěn)態(tài)特征外,可能還源于在不同掃掠角下前緣渦的產(chǎn)生和發(fā)展的差異,以及St的不同。這是基于如下事實: 前緣渦的行為引起了不同的低壓分布,影響了整個尾鰭表面的壓力差。然而,功率和S×Sr3值之間的非線性關(guān)系可能主要源于在每個St下尾跡的強非穩(wěn)態(tài)特征。很明顯,產(chǎn)生推力的源項并不是唯一的,而S×Sr2僅僅反映了由于推動流體向下游運動而引起的對壓力面的反作用力,即附加質(zhì)量力。推力的其他源項將和前緣渦有直接關(guān)系,因此尾鰭前緣結(jié)構(gòu)也是推力產(chǎn)生的主要影響因素之一。然而,S×Sr3則較好地反映了功率消耗的能力水平。

圖7 推力相對于S×Sr2 的關(guān)系(St=0.2～0.3)Fig.7 Thrust as a function of S×Sr2 with St numbers in the range of 0.2-0.3

圖8 功率相對于S×Sr3 的關(guān)系(St=0.2～0.3)Fig.8 Power as a function of S×Sr3 with St numbers in the range of 0.2-0.3

因此,增加掃掠角引起了較低的功率消耗,并獲得了一個適中的推力。然而,盡管增加掃掠角可能導(dǎo)致功率消耗的降低,但過度增加掃掠角可能引起推力和效率的下降,特別是在較高St的情況下。

2.4 功率消耗評估

巡游游動時,將在y坐標(biāo)方向和z坐標(biāo)方向的速度平方分別命名為v2和w2,實際上意味著在相應(yīng)方向的能量消耗。圖9 顯示了在St=0.3 的3 s時3 種尾鰭模型的v2+w2分別為0.003(藍色區(qū)域)、0.01(綠色區(qū)域)和0.03(紅色區(qū)域)的等值面圖。結(jié)果顯示,圍繞3 種尾鰭的區(qū)域具有相似的功率消耗分布,且在3 種模型之間仍具有可辨識的差異。比如,Model-2 在尾跡區(qū)具有最高的功率消耗,Model-3 則最低,這種結(jié)果也證實了上述功率消耗的變化規(guī)律。

圖9 3 種模型在3 s 時的能量消耗等值面圖(St=0.3)Fig.9 Energy consumption contours of three models at 3 s(St=0.3)

2.5 叉狀尾鰭尾跡射流特征

由尾跡渦所誘導(dǎo)的噴射流極大地決定了推力的產(chǎn)生。為了檢測與噴射流相關(guān)聯(lián)的流向方向的動量,在St=0.25 時3 種尾鰭模型流向方向的速度等值面如圖10 所示。

圖10 3 種模型尾跡流向方向速度的瞬態(tài)等值面圖(St=0.25)Fig.10 Transient contours of wake flow direction velocity for three models at St=0.25

圖10為3、3.16、3.32 s3 個時刻流向方向的速度等值面。其中,藍色,綠色和紅色區(qū)域分別表示高于自由來流速度的7.5%、15%和20%。由圖可知,在St=0.25 時Model-3 所產(chǎn)生的噴射流在3 個時刻都是最弱的,這表現(xiàn)了相對于其余2 個模型,Model-3 具有較弱產(chǎn)生推力的特性,而這部分推力主要來源于推動流體向后運動產(chǎn)生的反作用力,實際上是由于較小有效面積所造成的。另外,Model-1 的藍色面積大于Model-2,但是綠色面積卻較少,因此,Model-2 具有較好的推力產(chǎn)生潛力,這也對應(yīng)于其具有較大的有效面積。

如果巡游需要產(chǎn)生足夠的推力,帶有較低掃掠角的叉狀尾鰭應(yīng)當(dāng)被選作為水下航行器的合適推進器。這是因為魚類并不總是游動在較高效率區(qū)間內(nèi),但是卻常游動在能夠應(yīng)付特定的或者復(fù)雜的游動環(huán)境下。即Model-2 在較高St條件下具有較好的推力產(chǎn)生潛力。相反,具有較大掃掠角的叉狀尾鰭能夠提供較高效率的游動性能,但卻是以降低推力產(chǎn)生為代價。

2.6 擺動尾鰭表面壓力分布規(guī)律

圖11 和圖12 分別為在St=0.25 和St=0.2 時3 種尾鰭模型在3.16、3.28、3.48 s 時刻的表面壓力云圖。前緣渦出現(xiàn)、發(fā)展并延伸到整個吸力面是在前緣渦從尾緣分離之前完成的,因此決定了吸力面的渦增推力分布。

圖11 3 種模型在3.16 s、3.28 s 和3.48 s 的表面壓力分布(St=0.25)Fig.11 Pressure contours of the three models at 3.16 s,3.28 s and 3.48 s at St=0.25

圖12 3 種模型在3.16 s、3.28 s 和3.48 s 的表面壓力分布(St=0.2)Fig.12 Pressure contours of the three models at 3.16 s,3.28 s and 3.48 s at St=0.2

在3.28 s 時,正壓區(qū)域已經(jīng)填滿了整個壓力表面。3 種尾鰭模型在壓力面的高壓在St=0.25 時比St=0.2 時占據(jù)了更大的面積。此外,在St=0.25 和St=0.2 時,Model-2 的高壓面積大于Model-1,而Model-3 的高壓面積最小。另外,越接近前緣端點,壓力就越高。這種壓力分布反映了不同有效面積的叉狀尾鰭提供推進力的差別。而且,較高的沉浮速度也促使3 種尾鰭模型在此時獲得了較高的壓力。此外,3 種尾鰭模型的吸力面顯示了前緣渦向下游平動,并且負(fù)壓區(qū)域在Model-3 中傳播得最遠,而在Model-2 中則最近。這種負(fù)壓區(qū)域的分布意味著Model-3 的前緣產(chǎn)生了最強的前緣渦,而Model-2 所產(chǎn)生的前緣渦是最弱的。

在尾鰭擺動過程中,大部分推力來源于在整個尾鰭表面貢獻于推進方向分量的壓力差。在3.28 s時,壓力面具有較高的正壓值,且吸力面也表現(xiàn)出一定程度的負(fù)壓區(qū)域。配合較大的角位移,2 個表面之間的壓力差導(dǎo)致了在3.28 s 附近產(chǎn)生了最大推力。因此,在接近3.28 s 時整個尾鰭表面的壓力差較大程度決定了瞬態(tài)推力的幅值。另外,在St=0.2 的3.28 s 時,壓力面顯示了3 種尾鰭模型存在較小的壓力差異。然而,Model-3 的吸力面具有較大的負(fù)壓面積,從而導(dǎo)致了在St=0.2 時出現(xiàn)最大推力。甚至在St=0.2 的3.48 s 時,在壓力面和吸力面之間存在較大的壓力差也證實了這種說法。因此,盡管Model-2 帶有較低的掃掠角,并且前緣渦產(chǎn)生得更快且發(fā)展得更早,但其前緣渦的強度卻是最低的。再者,在St=0.25 的3.28 s 時,Model-2的壓力面顯示了更大面積的正高壓,但是在吸力面則具有較小面積的低負(fù)壓。Model-3 則正好相反,Model-1 則處于兩者之間。在St=0.25 時的壓力分布導(dǎo)致了3 種尾鰭模型具有較小的推力差別。

以上的分析說明了掃掠角的增加使得尾鰭的有效面積衰減,從而導(dǎo)致了源于推動流體向下游運動而產(chǎn)出的反作用力對于推力的貢獻能力的退化。此外,掃掠角的增加也引起了前緣渦強度的增強和前緣渦的發(fā)展,從而導(dǎo)致了源于吸力面的低壓區(qū)域渦增推力的增大。掃掠角對渦的演化特征的影響是復(fù)雜的,但卻影響了推進力產(chǎn)生的幅值。掃掠角對附加質(zhì)量力和渦增推力有相反的作用機制。

3 結(jié)論

文中對3 種鮪科魚類叉狀尾鰭的擺動過程進行了仿真,運動形式設(shè)定為沉浮-俯仰運動。3 種尾鰭具有相同的表面積、展弦比和叉長,其掃掠角表征了不同的叉狀尾鰭平面結(jié)構(gòu)。為了研究叉狀尾鰭效率轉(zhuǎn)捩點的特征,對推力和功耗的源項進行了重點分析,并對叉狀尾鰭高效推進的作用機理進行了探討。為了獲得AUV 的優(yōu)秀仿生推進器,叉狀尾鰭的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化研究非常必要,也具有較好的工程應(yīng)用前景。通過文中研究,可得如下結(jié)論。

1) 在保證尾鰭表面積不變時,增加尾鰭掃掠角時其2 階矩面積(有效面積)隨之降低,從而導(dǎo)致了尾鰭擺動時推動流體向下游運動而受到的反作用力降低,因此尾鰭的推進能力也會隨之衰退。

2) 掃掠角的增加會引起前緣渦強度的增加以及前緣渦的發(fā)展,從而導(dǎo)致更大的渦增推力。因此,掃掠角對附加質(zhì)量力和渦增推力有相反的作用機制。

3) 增加掃掠角造成了較低的功率消耗和適中的推力,產(chǎn)生推力的源項并不是唯一的,而3 階矩面積則可直接用于評估功率消耗的能力水平。

4) 過分增加掃掠角盡管存在功率消耗下降的優(yōu)勢,但也引起推力和水動力效率的下降,特別是對于高St的情況;帶有較低掃掠角的尾鰭具有最低的效率,但是卻在高St情況下具有較好的產(chǎn)生推力的潛力。