海龟水翼运动模型及仿生推进机构研究

针对海龟水翼运动的特点,进行了仿水翼推进系统的研究.基于水翼运动的抽象分析,建立了二自由度水翼运动模型,描述了水翼运动典型状态下的翼态特征.设计了仿生运动机构,分析了其运动学特性,为优化仿生推进机构的设计与控制提供了依据.基于PC104和DSP构建了仿生机构的控制系统,实现了运动控制器的模块化设计.搭建了单肢运动实验平台,从功能仿生角度实现了水翼运动,试验验证了仿水翼机构运动的可行性和控制系统的有效性,丰富了水下推进理论.     

仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构设计与水动力分析

为了提高水下无人航行器推进系统效率,设计仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构及其摆动形式. 在研究蝠鲼胸鳍运动机理的基础上,设计摆动幅值与急回系数相互解耦的曲轴联合曲柄摆杆机构,以实现仿生胸鳍的特定摆动形式. 推导并建立仿生胸鳍的鳍面运动方程,利用数值仿真分析单侧胸鳍在该摆动形式下的水动力特性,根据设定的推进性能评价指标说明该摆动形式相对正弦摆动形式的优越性. 通过实验验证装置的前进、转向等运动性能,分析胸鳍摆动幅值、频率与运动速度的关系. 结果表明,在特定的摆动形式下,该仿生胸鳍摆动推进机构能够实现水下无人航行器的前进、转向等预定运动,满足基本推进要求.     

仿胸鳍推进系统的水动力实验研究

为了研究仿生力学在非定常流动中的应用,针对刚性胸鳍建立了二自由度运动模型,设计了实现二自由度运动模式的仿胸鳍操纵系统的实验装置.胸鳍推进系统主体由两个伺服电机控制系统组成,能够产生限定范围内的各种预定的摇翼运动和前后拍翼运动的组合.研究耦合运动的相位差、摆动频率、滚转幅值、拍动幅值、滚转偏角、拍翼偏角等参数对胸鳍水动力性能的影响,得到各水动力系数在一个周期内随时间的变化趋势.实验结果为研发高机动仿生水下机器人奠定了技术基础.     

水翼振荡运动捕获潮流能的机理研究

为了揭示水翼发生振荡运动而捕获潮流能的机理,根据流体力学的基本理论,建立水翼振荡运动的模型.利用商用软件ANSYS Fluent对水翼的运动过程进行数值模拟,分析水翼运动对周围流场的影响,讨论水翼的运动参量、尺度参数等对水翼的水动力特性和能量捕获性能的影响规律,获得水翼在流体作用下的动力响应特性.结果表明：水翼的捕能总效率随运动参量变化的过程存在拐点,将水翼的运行参数设置在最高效率点对应的参数下,能够减小瞬时升力系数、瞬时阻力系数、瞬时功率系数各系数曲线的振荡突变现象,但该参数设置下的水翼功率输出未必能够达到最大;升沉运动捕获的能量与水翼厚度呈正相关,俯仰运动捕获的能量与水翼厚度呈负相关;水翼几何参数对水翼工作性能的影响程度与流体黏性的影响密切相关.     

仿生机器鱼监控系统设计与实现

仿生机器鱼作为一种高效的水下推进机器人,在水域探测、开发、安防等方面具有广阔的潜在应用前景。仿生机器鱼监控系统的设计是仿生机器鱼游动机理和运动控制的重要基础。文章围绕监控系统的硬件、软件、无线通信与系统界面,设计了一种仿生机器鱼监控系统,搭建了仿生机器鱼监控系统实验测试平台,并对其测试结果进行分析。结果表明:仿生机器鱼根据系统中的输入命令能够做出相应的动作,同时系统界面上产生不同运动模态下的曲线;仿生机器鱼执行命令时实时向监控计算机发送返回值,实现两者之间的无线通信协议;监控计算机与仿生机器鱼可以实现稳定交换游动控制命令、游动模式、游动姿态等数据,运行效果良好。     

基于平行式振荡翼系统参数耦合分析

采用ANSYS Fluent求解绕二维双振荡翼非定常、不可压缩Navier-Stokes方程,分析水平布置的双水翼捕能系统.为了提高系统的捕能效率及稳定性,通过建立双水翼振荡系统数值及网格模型,综合分析翼型、运动参数(升沉运动参数和俯仰运动参数)以及折算频率对水翼水动力特性及捕能性能的耦合影响,从水翼在运动过程中攻角的变化和漩涡结构方面分析影响系统水动力特性的机理.结果表明:翼型对水翼捕能特性的影响较小;在较小的折算频率下,升沉振幅是影响能量提取效率的主要因素;随着折算频率的增加,升沉振幅对能量提取效率的影响逐渐减弱;在较大的折算频率下,俯仰振幅对能量提取效率的影响更大.在给定的参数条件下,水翼的捕能效率可达43.18%.     

被动式摆动水翼潮流能量获取技术实验研究

针对传统的旋转叶片式水轮机在潮流能量获取过程中存在的问题,提出一种模仿水中生物尾部摆动的被动式摆动水翼潮流能量获取技术。在分析水翼的运动规律和功率系数、效率、折算频率等各参数之间关系的基础上,设计了被动式摆动水翼潮流能量获取实验装置;在三套正反向曲柄摇杆机构的作用下,被动式摆动水翼实现了两自由度周期循环,利用飞轮克服曲柄摇杆机构运动中存在的死点问题,利用扭矩传感器实现了输出轴的转速信号和转矩信号提取;循环水槽环境下完成了被动式摆动水翼能量获取实验,实验结果表明利用被动式摆动水翼能够进行潮流能量获取,当折算频率为0.096时,最高能量获取效率达到18%。     

水翼艇水弹性分析

对水翼及水翼艇的颤振作了理论上的探讨和数值上的分析．具体讨论了二维水翼的颤振机理，分析研究了水翼升力系统的密度比、重心位置、固有频率比等基本参数对颤振稳定性的影响．理论预测水翼的临界颤振速度与资料中的实验值比较吻合．对水翼艇采用有限元法进行颤振分析，提供了预测水翼艇临界颤振速度的方法     

重叠网格技术下振荡水翼的水动力特性

为研究运动参数对于振荡水翼在潮流中获能效率的影响,给出水翼高获能效率时的运动参数分布规律,提高振荡翼式潮流能发电装置的获能效率。基于重叠网格技术建立了振荡水翼的数值计算模型,并对网格的有效性进行了验证,通过改变水翼的折算频率f*、摆角幅值θ₀、升沉振幅h₀等运动参数,对二维振荡水翼的水动力特性及相应的获能效率进行了研究,分析了涡脱落对水翼运动过程中获能效率的影响;同时研究了双翼之间形成翼地效应时的压力分布,分析了该情况时水翼的水动力特性以及翼地效应对获能效率的影响。结果表明:合理规划振荡水翼的折算频率、摆角幅值、升沉振幅、转轴位置等参数均可以提高水翼的能量捕获效率;水翼在振荡运动过程中,涡脱落的产生将会影响到水翼的获能效率;平行对称双水翼之间的翼地效应会使双翼之间的流域形成高压区,提高水翼升力;增加的升阻比有利于提高水翼的能量捕获效率,在双翼最小间距缩小时,水翼的获能效率会因地面效应作用的增强而提高。     

粘性流场中摆动尾鳍的水动力性能分析

以高性能仿生推进系统在海洋开发中的广阔应用为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其先进的动网格技术以及强大的后处理系统,详细计算了做横移和摆动耦合运动的金枪鱼月牙形尾鳍在粘性流场中的水动力性能.通过研究发现了摆动尾鳍产生的独特表面压力分布以及尾涡变化方式是其产生较高推进效率的内在原因;并着重探讨了不同雷诺数和耦合运动的幅度、频率及其相位差对尾鳍推进性能的影响,对于不同种类的计算工况,推进效率始终对应存在1个最佳值.