[发明专利]一种仿生波动鳍的推进性能数值计算方法

说明书

本发明公开了一种仿生波动鳍的推进性能数值计算方法，根据仿生学原理建立相关物理模型，确定仿生推进器外流场范围以及边界条件类型，采用了两次网格划分技术，提高了计算准确性，建立粗糙网格并进行波动鳍运动初始化，完成初始化后再基于模型划分精细网格，并采用动网格方法进行仿真计算；本发明提出的数值方法基于粗细两套网格，能够更加精确控制推进器初始状态，提高了仿真结果的准确性，得到了一个周期内波动鳍鳍面压力分布规律，流场随波动鳍运动演化规律以及波动鳍推力与波动频率之间变化规律，有效预测了仿生推进器的推进性能，为仿生推进器结构设计优化和运动控制奠定理论基础。

技术领域

本发明属于水下仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生波动鳍的推进性能数值计算方法。

背景技术

智能水下机器人是新一代海洋装备发展的关键技术，对提升海洋军备竞争力有着巨大推进作用，已成为各国政府、科学家及企业高度关注的前沿科技领域。在高性能水下装备的研发中，自然界给予人类重要启示，仿生波动鳍水下推进器就是从鱼类高效运动获得灵感的典型例子。目前，国内外针对仿生推进器外观、结构和性能已有大量研究。相比于传统水下航行器，仿生推进器具有推进效率高，隐蔽性强，体积小，价格低廉等优势，其在资源探测，环境监测，水下作业等多方面都显示出巨大潜力。

自然界中，黑魔鬼鱼依靠在鳍面传递行波从而产生推力，通过改变鳍面行波方向能快速反转运动方向，在低速下稳定性强，机动性强，推进效率高等特点。研究者从自然界黑魔鬼鱼高效的运动方式得到启示，基于黑魔鬼鱼运动机理，开展仿生波动鳍水下推进器研究，以克服传统推进器效率低、隐蔽性差、结构复杂等缺点。仿生波动鳍水下推进器具有功能多样、行动高效、结构灵活、性能优越等特点，在海洋探测、情报收集以及两栖作战方面有着巨大应用前景。

水动力性能分析是仿生推进器结构设计和运动控制的理论基础，对提高推进器综合性能起到至关重要的作用。传统性能测试方法主要包括水洞和风洞实验，存在成本高、耗时长等缺陷。近几十年，计算流体动力学(CFD)技术蓬勃发展，以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题，极大节省人力物力。在仿生波动鳍研究领域，众多研究者结合CFD技术开展了波动鳍运动机理和流场结构演化规律研究，但针对波动鳍推进力的具体影响因素和变化规律尚未得出具体结论，已有研究并不能对仿生波动鳍推进器的结构设计与优化起到指导作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种仿生波动鳍的推进性能数值计算方法，以克服现有技术存在的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种仿生波动鳍的推进性能数值计算方法，包括以下步骤：

步骤1)，建立待计算仿生波动鳍的仿真计算物理模型；

步骤2)，确定仿真计算物理模型外流场范围以及边界条件；

步骤3)，根据外流场范围以及边界条件建立粗糙网格并进行波动鳍运动初始化，得到粗糙网格仿真计算物理模型；

步骤4)、对粗糙网格仿真计算物理模型进行精细网格划分得到精细网格仿真计算物理模型；

步骤5)，对精细网格仿真计算物理模型进行仿真参数和运动条件设置；

步骤6)、基于步骤5)设置的仿真参数和运动条件参数计算仿生波动鳍推力：选定总计算时间、时间步长和计算迭代次数，采用迭代法进行仿生波动鳍推力计算，得到最终仿生波动鳍推力性能数值。

进一步的，确定外流场区域范围指确定波动鳍周围流场范围，采用尺寸大小确定波动鳍周围流场范围；波动鳍流场边界条件指流场前端半圆面设置为速度入口条件，后端平面设置为压力出口条件，周围圆柱面设置为壁面条件。

进一步的，对仿真计算物理模型进行网格划分，确定鳍面的初始空间位置。