馬楷東 張瑞榮 郭 鑫 許銘揚(yáng) 浦玉學(xué)

(合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院,合肥 230009)

引言

隨著目前對(duì)于水下航行器的各方面研究不斷深入,人們逐漸將目光轉(zhuǎn)向自然界中魚(yú)類本身高效、靈活的運(yùn)動(dòng)方式上,通過(guò)模仿自然界中魚(yú)類的外形特征以及運(yùn)動(dòng)方式,并將其成果應(yīng)用在水下航行器研究中.自仿生機(jī)器魚(yú)成為國(guó)內(nèi)外仿生學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)以來(lái),美國(guó)、日本、英國(guó)和中國(guó)等多個(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)相繼研發(fā)成功具備不同魚(yú)種特征的仿生機(jī)器魚(yú),并已應(yīng)用在許多不同的應(yīng)用場(chǎng)景.

通過(guò)對(duì)2000 年到2020 年之間關(guān)于仿生機(jī)器魚(yú)的研究進(jìn)行調(diào)研,當(dāng)前關(guān)于仿生機(jī)器魚(yú)的研究主要集中在兩方面[1],一方面通過(guò)觀察自然界中魚(yú)類運(yùn)動(dòng)的形式,研究其運(yùn)動(dòng)機(jī)理并將成果應(yīng)用在水下航行器中.這一方面研究的主要方向可以分為兩類,一類是研究通過(guò)身體或尾鰭的擺動(dòng)向前游動(dòng)的魚(yú)類,這種魚(yú)類的推進(jìn)方式被稱為BCF 模式,具有代表性的是美國(guó)東北大學(xué)使用形狀記憶合金模仿魚(yú)體擺動(dòng),并成功研制了機(jī)器鰻魚(yú)樣機(jī)[2],以及中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所李林等制作的鲹科模式仿生型水下航行器等[3-4];另一類是研究通過(guò)中間鰭或?qū)挼臄[動(dòng)向前游動(dòng)的魚(yú)類,這種推進(jìn)方式被稱為MPF 推進(jìn)模式[5-6].其中高帥[7]在2014 年發(fā)表的仿生鰩魚(yú)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究具有一定的代表性.

另一方面的研究則是從自然界中魚(yú)類的形體特征出發(fā)[8],研究其外觀形狀在其游動(dòng)過(guò)程中所展現(xiàn)的流場(chǎng)特性及力學(xué)特征.這一方面的研究成果不斷涌現(xiàn)的原因是近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展,三維建模技術(shù)以及CFD (computational fluid dynamics)技術(shù)也日趨成熟,這使得研究者可以使用計(jì)算機(jī)對(duì)自然界中魚(yú)體的外形輪廓進(jìn)行三維建模,并使用CFD 對(duì)模型進(jìn)行仿真分析.田曉潔等[9]以金槍魚(yú)為仿生對(duì)象,以金槍魚(yú)在自然狀態(tài)下處于直線型的魚(yú)體特征為對(duì)象,在Solid Works 中進(jìn)行了三維模型的建立,并將其導(dǎo)入Ansys (Fluent 模塊)進(jìn)行仿真,分析了模型在定常流場(chǎng)下所呈現(xiàn)的力學(xué)特征,說(shuō)明了流線型魚(yú)體在減阻方面的功能,為仿生機(jī)器魚(yú)的外形優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了支撐.湯琳[10]以鯉魚(yú)的外形為參照,研發(fā)了一種BCF 推進(jìn)模式的機(jī)器魚(yú),在Fluent中進(jìn)行了一系列仿真實(shí)驗(yàn),探究了不同推進(jìn)模式對(duì)于推進(jìn)性能優(yōu)劣的影響.周澍欣和胡慶松[11]以鯉魚(yú)為研究對(duì)象,以其為原型建立了三維模型,研究了該模型在定常流下不同部位對(duì)總和力的貢獻(xiàn)度,結(jié)論表明在鯉魚(yú)形機(jī)器魚(yú)外形設(shè)計(jì)中,升力以及運(yùn)行阻力主要與魚(yú)頭部分以及前鰭的設(shè)計(jì)有關(guān).

通過(guò)上述內(nèi)容可以得出,目前仿生機(jī)器魚(yú)的研制雖然在理論方面有了較為深入的進(jìn)展,但是以上研究中所提到的仿生機(jī)器魚(yú)模型在工程實(shí)際應(yīng)用中仍然具有較大的缺陷.對(duì)于以上研究中模仿自然界魚(yú)類外形的機(jī)器魚(yú)來(lái)說(shuō),雖然都有良好的減阻性能,但在工程實(shí)際中往往需要機(jī)器魚(yú)的外形輪廓設(shè)計(jì)不僅要使其具有優(yōu)良的減阻性,而且需要考慮內(nèi)部的容積是否合理,體型是否利于傳感器的安裝等,在某些特殊作業(yè)中,還需要降低機(jī)器魚(yú)行進(jìn)過(guò)程中對(duì)周圍環(huán)境的干擾以及提高機(jī)器魚(yú)本身的隱蔽性等[12-13].

雙髻鯊的頭部外形獨(dú)特,作用如同一個(gè)水中翼,幫助它在水中自由遨游,而且分布在雙髻鯊頭部前側(cè)的化學(xué)傳感神經(jīng)、電子傳感神經(jīng)和壓力傳感神經(jīng)也對(duì)它的生存有很大幫助.本文通過(guò)模仿雙髻鯊(又稱錘頭鯊)的外形特征,從仿生工程學(xué)的角度設(shè)計(jì)并提出了一種新的符合工程實(shí)際需求的仿生機(jī)器魚(yú)外形,通過(guò)與翼型殼體機(jī)器魚(yú)體以及市場(chǎng)上常見(jiàn)的回轉(zhuǎn)體型水下機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比[14-15],利用Solid Works進(jìn)行3 種模型方案的三維建模和網(wǎng)格化,分析了3 種方案在來(lái)流為定常流時(shí)魚(yú)體在給定流場(chǎng)下所呈現(xiàn)的力學(xué)特征,從工程實(shí)際需求的角度出發(fā),分別從擾動(dòng)性、減阻性等方面進(jìn)行了評(píng)估和對(duì)比.同時(shí)對(duì)該仿生機(jī)器魚(yú)外形設(shè)計(jì)在流場(chǎng)中表現(xiàn)的特殊性質(zhì)進(jìn)行了探究和評(píng)價(jià).本文借助CFD 技術(shù)采用數(shù)值模擬的方法,結(jié)合具體設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),研究了該機(jī)器魚(yú)外形設(shè)計(jì)在流場(chǎng)中的特性,為仿生水下航行器外形設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了參考數(shù)據(jù)和新的思路[16-17].

1 仿雙髻鯊頭部特征機(jī)器魚(yú)模型建模

1.1 雙髻鯊生物形態(tài)特征分析

雙髻鯊,其形態(tài)特征具有明顯的特點(diǎn),頭部一般呈扁平狀,具有一定的流線型特征,頭部向兩側(cè)延伸,形成鎚狀突出,為“丁”字形,故也稱 “錘頭鯊”,其外形如圖1 所示.頭長(zhǎng)約為全長(zhǎng)的2/9 (幼體)至1/5.身體狹長(zhǎng),側(cè)邊偏扁,整體呈亞圓筒形[18].由于雙髻鯊的種類繁多,本文選取了其中3 種最具代表性的雙髻鯊,分別是錘頭雙髻鯊、丁字雙髻鯊和窄頭雙髻鯊,進(jìn)行生物形體特征提取.

圖1 雙髻鯊?fù)庑螆DFig.1 Shape image of a hammerhead shark

1.2 生物外形特征提取

本文從仿生工程學(xué)的角度出發(fā),將雙髻鯊的頭部形態(tài)特點(diǎn)與工程實(shí)際相結(jié)合,從而設(shè)計(jì)了機(jī)器魚(yú)模型.采用生物外形特征提取技術(shù)[19-20],利用CorelDRAW,Illustrator 等軟件對(duì)3 種雙髻鯊的3D掃描模型進(jìn)行邊緣點(diǎn)的檢測(cè)、線條擬合等操作,生成雙髻鯊?fù)庑翁卣鞯妮喞€.依據(jù)局部抽取優(yōu)化法,選取雙髻鯊頭部的曲線線條,提取曲線結(jié)果如圖2 所示.

圖2 3 種雙髻鯊頭部輪廓曲線特征提取圖Fig.2 Feature extraction of head profile curves of three species of hammerhead sharks

1.3 外形輪廓線條擬合

由于直接提取的頭部特征曲線并不規(guī)則,在工程實(shí)際中難以直接利用,所以對(duì)頭部特征曲線進(jìn)行了平滑處理,生成規(guī)則的曲線.本文采用曲線插值擬合的方法,先提取輪廓曲線上的關(guān)鍵點(diǎn),對(duì)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)化,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多種曲線擬合,截取擬合效果最好的模型曲線.擬合結(jié)果如圖3 所示,圖中散點(diǎn)為坐標(biāo)化后的數(shù)據(jù)點(diǎn),曲線為擬合后的曲線.表1 為3 種模型輪廓所用的曲線模型及方程,表2 所示為擬合曲線的方程參數(shù).

圖3 3 種雙髻鯊頭部輪廓曲線擬合圖Fig.3 Head contour curve fitting of three species of hammerhead

圖3 3 種雙髻鯊頭部輪廓曲線擬合圖 (續(xù))Fig.3 Head contour curve fitting of three species of hammerhead(continued)

表1 3 種模型所用擬合曲線Table 1 Fitting curves used for the three models

表2 3 種曲線擬合的具體參數(shù)Table 2 Parameters of three fitting curves

1.4 機(jī)器魚(yú)頭部特征曲線的選擇

以3 種雙髻鯊頭部的擬合曲線為驅(qū)動(dòng)方程式,建立具備其頭部外輪廓特征的簡(jiǎn)易模型,參考文獻(xiàn)[9] 中的方法對(duì)模型進(jìn)行仿真分析.圖4(b) 中①②③,分別代表錘頭雙髻鯊、丁字雙髻鯊、窄頭雙髻鯊.由圖4(a)中3 種簡(jiǎn)易模型在不同流速下的阻力值折線圖所示,其中3 種簡(jiǎn)易模型在0～ 2 m/s流速下,所受阻力相近,但當(dāng)流速大于2 m/s 時(shí),丁字雙髻鯊簡(jiǎn)易模型所受的阻力值明顯大于錘頭雙髻鯊簡(jiǎn)易模型和窄頭雙髻鯊簡(jiǎn)易模型,而錘頭鯊輪廓模型與窄頭鯊簡(jiǎn)易模型相比,錘頭鯊簡(jiǎn)易模型阻力略小與窄頭鯊模型所受到的阻力,即由錘頭鯊頭部外形輪廓制成的簡(jiǎn)易模型具有最優(yōu)的減阻性;圖4(b)中流速云圖中,自上而下分別為在同等流速條件下的①錘頭雙髻鯊簡(jiǎn)易模型流速云圖、②丁字雙髻鯊簡(jiǎn)易模型流速云圖、③為窄頭雙髻鯊簡(jiǎn)易模型流速云圖,可以得到在同樣的流速場(chǎng)中,遠(yuǎn)離模型的流場(chǎng)沒(méi)有受到模型的干擾,流場(chǎng)保持穩(wěn)定;當(dāng)靠近模型時(shí),水流向兩側(cè)分離,速度增加,而模型后方流速較小,從而形成尾跡.由圖①②③對(duì)比可得具有錘頭雙髻鯊頭部輪廓特征的簡(jiǎn)易模型①相較于其他兩種模型來(lái)說(shuō)產(chǎn)生的尾跡更小,對(duì)周圍流場(chǎng)干擾更小,周圍流場(chǎng)更加穩(wěn)定.

圖4 3 種模型在不同流速下的阻力值折線圖及流速云圖Fig.4 Line chart and cloud chart of resistance values of three models at different flow rates

經(jīng)過(guò)以上分析,錘頭雙髻鯊長(zhǎng)寬比協(xié)調(diào),形體特征明顯,排流曲線斜率大,且頭部呈流線型,減阻性能好、且對(duì)周圍流場(chǎng)干擾性小,故將錘頭雙髻鯊的擬合特征曲線作為機(jī)器魚(yú)建模時(shí)的參照曲線最為優(yōu).

1.5 機(jī)器魚(yú)體外形設(shè)計(jì)

參照文獻(xiàn)[21]的內(nèi)容,以錘頭雙髻鯊頭部的擬合曲線為驅(qū)動(dòng)方程式,在Solid Works 軟件中進(jìn)行機(jī)器魚(yú)體頭部三維模型的構(gòu)建,并且在機(jī)器魚(yú)頭部頂端、機(jī)器魚(yú)頭部與身體連接處采用流線型過(guò)渡和平滑曲線過(guò)渡,以減小機(jī)器魚(yú)在水中行進(jìn)時(shí)的阻力;考慮到機(jī)器魚(yú)應(yīng)具有良好的工程適應(yīng)性以及裝配可行性,魚(yú)體中部應(yīng)設(shè)計(jì)為規(guī)則形狀且其內(nèi)部應(yīng)有足夠的空間放置控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器元件等功能裝置,故將魚(yú)體中部設(shè)計(jì)為扁平狀,魚(yú)體尾部設(shè)計(jì)為流線型過(guò)渡,以減少尾流.仿雙髻鯊模型主要參數(shù)如表3 所示.

表3 模型尺寸參數(shù)Table 3 Size parameters of the model

通過(guò)對(duì)錘頭雙髻鯊的形體特征分析,本文中將魚(yú)體寬度設(shè)計(jì)為略小于雙髻鯊頭部寬度,并推測(cè)在這樣的設(shè)計(jì)中,雙髻鯊頭部向兩側(cè)排開(kāi)的“丁字”型結(jié)構(gòu)可以對(duì)魚(yú)體周圍的流場(chǎng)創(chuàng)造低流速區(qū)域,即水流通過(guò)機(jī)器魚(yú)頭部后,由于頭部和身體的寬度關(guān)系,會(huì)在機(jī)器魚(yú)頭部后方一定范圍內(nèi)的魚(yú)體的兩側(cè)產(chǎn)生低流速區(qū)域,從而減少此區(qū)域內(nèi)機(jī)器魚(yú)體對(duì)周圍流場(chǎng)的干擾性,這種作用在工程實(shí)際中具有良好的利用價(jià)值,可以極大地提高機(jī)器魚(yú)體的可擴(kuò)展性和隱蔽性.如圖5,為仿生機(jī)器魚(yú)模型設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)和示意圖.

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 機(jī)器魚(yú)網(wǎng)格劃分

對(duì)于機(jī)器魚(yú)體的流體仿真分析來(lái)說(shuō),魚(yú)體及其所處流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分結(jié)果直接關(guān)系到仿真結(jié)果的正確性和精確性,所以根據(jù)魚(yú)體的建模情況來(lái)正確地選擇網(wǎng)格劃分方法是十分有必要的.精確度和求解所需的時(shí)間是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真中十分關(guān)鍵的問(wèn)題,這兩個(gè)問(wèn)題都依賴于網(wǎng)格的特點(diǎn).本次進(jìn)行仿真模擬的3 種模型方案表面并不規(guī)則且包含尖端部分,需要不同類型的網(wǎng)格劃分元素來(lái)求解各種幾何形狀和流態(tài),這其中不同類型的網(wǎng)格劃分元素之間的過(guò)渡是必須要考慮的問(wèn)題.一般情況下過(guò)渡區(qū)通常依賴于非共形界面或四面體,但這樣處理可能會(huì)造成網(wǎng)格質(zhì)量下降而且還伴隨著生成過(guò)多的單元格從而導(dǎo)致求解時(shí)間變長(zhǎng)的問(wèn)題.本文中使用了Ansys Mosaic 技術(shù)[22],將不同類型的網(wǎng)格與一般多面體元素進(jìn)行連接.Mosaic 網(wǎng)格具有數(shù)量更少、質(zhì)量更好的單元格,對(duì)于復(fù)雜外形的模型有非常好的適用性,且具有劃分效率高,求解時(shí)間短的特點(diǎn).

為了避免外流場(chǎng)邊界引起的邊界效應(yīng)[9-10]對(duì)仿真結(jié)果造成影響,設(shè)置計(jì)算域的尺寸為長(zhǎng)L=10 m,寬B=5 m,高H=5 m,魚(yú)體置于計(jì)算域的中心位置.流體域網(wǎng)格劃分如圖6 所示.

圖6 流域及魚(yú)體網(wǎng)格劃分Fig.6 Watershed and fish body grid division

2.2 湍流模型及初始條件的設(shè)置

本次仿真中,考慮到流場(chǎng)進(jìn)口來(lái)流速度較小,且仿生魚(yú)特征尺寸較小,屬于低雷諾數(shù)問(wèn)題,因此選擇RNGk-ε模型作為本次仿真的湍流模型,RNGk-ε是標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的變形,方程和系數(shù)來(lái)自解析解[23-28].標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是一種高雷諾數(shù)的模型,其標(biāo)準(zhǔn)方程為湍流動(dòng)能方程和擴(kuò)散方程

動(dòng)能方程

擴(kuò)散方程

式中Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能.YM是由于在可壓縮湍流中,過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng),C1,C2,C3是常量,σk和σe是動(dòng)能方程和擴(kuò)散方程的湍流Prandtl 數(shù),Sk和Se是用戶定義的數(shù)值.

RNG 理論提供了一個(gè)考慮低雷諾數(shù)流動(dòng)黏性的解析公式,RNGk-ε模型的方程為

兩種模型的區(qū)別在于RNG 理論提供了

這使得其比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在低雷諾數(shù)的流動(dòng)問(wèn)題中有更高的可信度和精度,通常用來(lái)預(yù)測(cè)中等強(qiáng)度的旋游和低雷諾數(shù)流動(dòng).

參照文獻(xiàn)[9-10]考慮到仿生機(jī)器魚(yú)被應(yīng)用的場(chǎng)景通常為自然狀態(tài)下的水域,所以選擇不可壓縮模流模型;由于本次仿真屬于低速流動(dòng)問(wèn)題,故選擇分離求解器(即基于壓力的求解器)比較適合,默認(rèn)采用Simple 算法進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算.設(shè)置流場(chǎng)的左側(cè)邊界為速度進(jìn)口邊界條件,右側(cè)為流出邊界條件,流場(chǎng)的其他面設(shè)置為壁面邊界條件;重力加速度設(shè)置為9.81 m/s2;由于采用了Ansys Mosaic 技術(shù),網(wǎng)格劃分中存在不同類型的網(wǎng)格單元,流動(dòng)的方向與網(wǎng)格并不對(duì)齊,一階的迎風(fēng)格式會(huì)增大數(shù)值離散誤差,故選擇離散格式為二階迎風(fēng)格式,可以得到更為精確的計(jì)算結(jié)果.經(jīng)過(guò)對(duì)同類型的仿生機(jī)器魚(yú)進(jìn)行調(diào)研以及結(jié)合本文中仿真對(duì)象的速度考慮后,設(shè)置入口來(lái)流速度分別為0.25 m/s,0.5 m/s 和1 m/s.

3 仿真結(jié)果分析

3.1 阻力分析與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

由于在仿生機(jī)器魚(yú)的絕大多數(shù)作業(yè)環(huán)境中其魚(yú)體下潛的深度都大于體長(zhǎng)的1/3,這時(shí)興波阻力幾乎為0,故在阻力分析中,不考慮興波阻力,僅考慮壓差阻力以及黏性阻力.利用Fluent 在不同的來(lái)流速度下對(duì)三種模型進(jìn)行阻力分析.

如圖7 所示,綜合3 種模型在不同速度下的阻力分析得出,在來(lái)流方向平行于魚(yú)體直線的情況下,隨著機(jī)器魚(yú)行進(jìn)速度的增大,壓差阻力和黏性阻力都逐步增大.隨著速度的增大,壓差阻力占比越來(lái)越小,黏性阻力占據(jù)主導(dǎo)因素.3 種模型中以翼型曲線為特征的機(jī)器魚(yú)模型在行進(jìn)過(guò)程中受到的阻力最大,仿雙髻鯊模型所受的阻力最小,且流速越大差距越明顯,由此可得出仿雙髻鯊模型相對(duì)于另兩種模型具有更好的減阻性能,能夠有效的減少行進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的阻力.表4 為阻力計(jì)算結(jié)果.

圖7 總阻力對(duì)比折線圖與黏性阻力對(duì)比折線圖Fig.7 Total resistance comparison line chart and viscous resistancecomparison line chart

表4 阻力計(jì)算結(jié)果Table 4 Drag calculation results

3.2 對(duì)周圍流場(chǎng)的干擾性對(duì)比分析

為分析3 種仿生機(jī)器魚(yú)模型在相同流速條件下對(duì)周圍流場(chǎng)干擾性的大小,選取魚(yú)體所在的中心平面為特征面進(jìn)行分析.當(dāng)來(lái)流速度為1 m/s 時(shí)3 種模型在定常流環(huán)境下仿真結(jié)果如圖8 所示.

圖8 流速分布云圖(左側(cè)為模型正視圖,右側(cè)為俯視圖)Fig.8 Velocity distribution nephogram (front view of the model on the left,top view on the right)

由流速分布云圖可以得到,3 種模型在定常流下均會(huì)產(chǎn)生不同大小尾跡.尾跡的形成是物體與流體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),各層流體的速度發(fā)生了變化,形成了一定的速度差使得物體后面的壓強(qiáng)與流體其他部分的壓強(qiáng)不同,當(dāng)中心的流速比四周的流速小,在流場(chǎng)中的物體下游便形成尾跡[9].(1)從圖8 中3 種模型的正視流速云圖(即①③⑤)看,仿真結(jié)果顯示仿雙髻鯊頭部特征的機(jī)器魚(yú)(圖8(b))相較于翼型機(jī)器魚(yú)(圖8(a))和回轉(zhuǎn)體模型(如圖8(c)),在正視面對(duì)周圍流場(chǎng)的影響更小,其尾跡較小且對(duì)機(jī)器魚(yú)體周圍流場(chǎng)干擾范圍為三者中最小;(2)從3 種模型的俯視流速云圖(即②④⑥)觀察,由于仿雙髻鯊頭部特征的機(jī)器魚(yú)模型在機(jī)器魚(yú)頭部、尾部采用了流線型設(shè)計(jì),且整體采用扁平化結(jié)構(gòu),這使得其在俯視面內(nèi)的干擾性大大降低,魚(yú)頭部和尾部對(duì)周圍流場(chǎng)的影響范圍和程度都優(yōu)于翼型機(jī)器魚(yú)和回轉(zhuǎn)體模型,為三者中最優(yōu).

綜上所述,可以得到仿雙髻鯊頭部特征的機(jī)器魚(yú)外形在相同的流速條件下,相較于翼型機(jī)器魚(yú)和回轉(zhuǎn)體模型干擾性更小,表現(xiàn)在對(duì)周圍流體流速的影響程度小、周圍流體影響范圍小以及產(chǎn)生的尾跡小這三方面.

3.3 仿雙髻鯊頭部特征的機(jī)器魚(yú)周圍流場(chǎng)特性

由圖8 中仿雙髻鯊頭部特征的機(jī)器魚(yú)流速分布云圖中③機(jī)器魚(yú)周圍流速分布形狀推測(cè): 當(dāng)機(jī)器魚(yú)迎流時(shí),流體經(jīng)過(guò)仿錘頭雙髻鯊的頭部特征后在機(jī)器魚(yú)兩側(cè)形成了低流速區(qū)域,在低流速區(qū)域內(nèi)物體受到的流體阻力會(huì)更小,且處于此區(qū)域內(nèi)的物體不會(huì)對(duì)周圍流場(chǎng)造成明顯干擾,同時(shí)對(duì)于魚(yú)體隱蔽性的提升具有一定作用,為證明此推測(cè),設(shè)置對(duì)比試驗(yàn).

3.3.1 對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)置

此實(shí)驗(yàn)為定性試驗(yàn),分別設(shè)置實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組,在本次試驗(yàn)中,對(duì)照組模型則不發(fā)生變化,實(shí)驗(yàn)組的模型則設(shè)置為在對(duì)照組模型的基礎(chǔ)上,在機(jī)器魚(yú)兩側(cè)頭部突起后方設(shè)置長(zhǎng)方形障礙物.將兩組試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?dǎo)入Fluent 中進(jìn)行流體仿真,以試驗(yàn)結(jié)果來(lái)對(duì)比長(zhǎng)方形障礙物的存在是否會(huì)明顯地影響魚(yú)體周圍的流場(chǎng)情況.如圖9 所示,實(shí)驗(yàn)組機(jī)器魚(yú)與對(duì)照組機(jī)器魚(yú)模型尺寸相同,具體參數(shù)可參照表3,機(jī)器魚(yú)①為實(shí)驗(yàn)組模型,在機(jī)器魚(yú)頭部后方的低流速區(qū)域內(nèi)設(shè)置有長(zhǎng)L=0.35 m,寬B=0.1 m,高H=0.05 m 的長(zhǎng)方形凸臺(tái)作為障礙物;機(jī)器魚(yú)②為對(duì)照組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?尺寸同圖5 所示.兩組實(shí)驗(yàn)均在迎流速度為1 m/s 的條件下進(jìn)行.

3.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用同本文第2 節(jié)相同的方法,將兩組實(shí)驗(yàn)組模型進(jìn)行流體仿真分析,結(jié)果如下.

(1) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)觀察圖10,對(duì)比實(shí)驗(yàn)組機(jī)器魚(yú)模型的流速云圖和對(duì)照組模型流速云圖,在相同流速條件下,在低流速區(qū)域增加障礙物后機(jī)器魚(yú)周圍流場(chǎng)的大體形狀和范圍并沒(méi)有發(fā)生改變,對(duì)周圍流場(chǎng)影響的主要區(qū)域與對(duì)照組相同,都集中在機(jī)器魚(yú)頭部以及流體流經(jīng)機(jī)器魚(yú)后在尾部后方產(chǎn)生的尾跡,機(jī)器魚(yú)兩側(cè)流場(chǎng)保持穩(wěn)定.通過(guò)對(duì)照發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組的尾跡基本相同,這對(duì)有利于提高機(jī)器魚(yú)的隱蔽性[29-31].

圖10 對(duì)照組模型與實(shí)驗(yàn)組流體流速分布云圖Fig.10 Flow velocity distribution nephogram of control group model and experimental group

將機(jī)器魚(yú)所在的平面設(shè)置為觀測(cè)面,監(jiān)測(cè)該面內(nèi)點(diǎn)的速度值大小,結(jié)果如圖11 所示.通過(guò)對(duì)比兩圖可得,在計(jì)算域內(nèi),原理機(jī)器魚(yú)的地方,對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組都未對(duì)流速數(shù)值產(chǎn)生影響,在機(jī)器魚(yú)模型周圍,兩組實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ退俣葦?shù)值分布形狀大致相同,并未發(fā)生太大變化.

圖11 流體平面速度分布對(duì)比圖Fig.11 Comparison diagram of fluid plane velocity distribution

綜上所述,該對(duì)比試驗(yàn)證實(shí)了前文中的推測(cè),即: 當(dāng)機(jī)器魚(yú)迎流時(shí),流體經(jīng)過(guò)仿錘頭雙髻鯊的頭部特征后在機(jī)器魚(yú)兩側(cè)形成了低流速區(qū)域,在低流速區(qū)域內(nèi)物體受到的流體阻力會(huì)更小,且處于此區(qū)域內(nèi)的物體不會(huì)對(duì)周圍流場(chǎng)造成明顯干擾.

4 結(jié)語(yǔ)

本文以雙髻鯊為參照對(duì)象,通過(guò)模仿其外形特征建立了符合工程實(shí)際需求的仿雙髻鯊機(jī)器魚(yú)模型,重點(diǎn)從擾動(dòng)性、減阻性等方面對(duì)模型進(jìn)行評(píng)估.利用了Ansys Mosaic 技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,并依據(jù)工程實(shí)際場(chǎng)景設(shè)置了合理的流場(chǎng)邊界條件.基于RNGk-ε模型,研究并對(duì)比與不同其他仿生機(jī)器魚(yú)模型在特定流場(chǎng)下的力學(xué)特征及所受的阻力情況.仿真結(jié)果表面,仿雙髻鯊機(jī)器魚(yú)模型相較于以翼型機(jī)器魚(yú)模型和廣泛應(yīng)用的回轉(zhuǎn)體模型來(lái)說(shuō),具有更好的減阻性及更小的擾動(dòng)性,可以有效減少仿生機(jī)器魚(yú)在水下航行時(shí)對(duì)周圍流場(chǎng)帶來(lái)的擾動(dòng)并提高推進(jìn)效率,并且探究了仿雙髻鯊機(jī)器魚(yú)模型周身流場(chǎng)的特殊性,為仿生機(jī)器魚(yú)的發(fā)展提供新的思路,同時(shí)對(duì)水下機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù).