[发明专利]一种仿生水母的涡环推进式航行器

说明书

本发明公开了一种仿生水母的涡环推进式航行器，包括航行器本体和安装于航行器本体尾部的喷水推进模块，喷水推进模块包括固定支撑板、移动喷水板、环形分布设置于固定支撑板和移动喷水板之间的若干弹性片、包裹在所有弹性片外的弹性膜以及压缩装置，弹性膜两端分别与固定支撑板、移动喷水板密封相连形成可变体积弹性腔，固定支撑板中部设有喷水口；压缩装置用于驱动移动喷水板靠近固定支撑板挤压弹性片，使得可变体积弹性腔中部径向向外膨胀，从而增大腔体体积，从喷水口吸水；压缩装置停止时，在弹性片和弹性膜的恢复弹力作用下可变体积弹性腔内的水快速挤压，从喷水口喷出，产生涡流环，实现喷水推进。本发明结构简单、使用方便、推进效率高。

技术领域

本发明属于机械领域，设计一种水下作业机器人，具体涉及一种仿生水母的涡环推进式航行器。

背景技术

目前，现有的水下机器人常以螺旋桨推进或喷水推进作为动力源，但往往存在着效率低，噪音大等问题。而随着对水下作业要求的提高亟需一种新型的进行高效推进方式。

水母，乌贼等生物，依靠喷水推进这一功能特点在水下移动，喷水推进是一种特殊的推进方式，相较于螺旋桨推进具有噪声小，适应工况能力强，机械结构简单寿命长，抗空泡性能良好，周围流场稳定，高速工况下推进效率较高等优点，在一些领域已得到应用。虽然其相对于螺旋桨推进有诸多优势，但仍存在低速工况下推进效率不足的问题；

涡环是一种常见的流体现象，如烟圈或者水中的气泡等，是一片旋转的流体区域在相同或不同的周围流体中运动形成的一种圆环状的涡流。科学家观测到许多水中生物游动时，后面会形成一系列的涡环，这些涡环在它们的推进机理中起着重要的作用。水中生物是将自身能量传递给周围的水引起的反冲作用实现推进的，而为了达到推进的最高效，周围的水都会以涡环结构形式存在，以尽可能多的带走水的质量和冲量。实验表明，涡环对质量和动量的输送能力要大于等量的直流液体。

发明内容

本发明的目的在于经过研究水母产生涡环的原理，提出一种仿生的水下推进器，以提高现有喷水推进器的效率，降低能耗。

本项目涉及到水母产生涡环的原理

研究表明，水母体腔内的水向后喷出时并不是直线喷射，而是在周围流体的作用下形成涡环结构，其形态为漩涡向后翻卷成的一个三维环状结构，当水母的伞体收缩时，会形成一个环状的启动涡环，其周围的流体受到诱导一起运动，带动水母向前推进。而当收缩动作完全发生之后，涡环充分发展，从水母身体边缘脱离。而在舒张的过程中则形成相反方向的停滞涡环。而在下一次收缩开始的时候，停滞涡环诱导水流流入水母腔体内，其中部分于启动涡环合并侧向喷出，从而在反作用下使水母被推动前进。

涡流环对质量和动量的输送作用要大于等量的直线射流液体，涡流环形态的不同将会影响其推进效率。当水母在静止流场喷水时，对涡环结构造成影响的是涡环形成数L/D，其中L为喷射流体长度，D为喷口直径。当涡环形成数较大时，会在主涡环后形成一系列二次涡流，而当涡环形成数较少时，会形成单个环量较大的主涡环，此涡环推进效率较高，喷射获得的推进力也较大。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种仿生水母的涡环推进式航行器，其特征在于：包括

航行器本体，为整个航行器的承载构件；

喷水推进模块，设于航行器本体尾部，用于提供航行动力；

所述喷水推进模块包括固定支撑板、移动喷水板、环形分布设置于固定支撑板和移动喷水板之间的若干弹性片、包裹在所有弹性片外的弹性膜以及用于改变固定支撑板、移动喷水板之间距离的压缩装置，所述弹性膜两端分别与固定支撑板、移动喷水板密封相连以形成可变体积弹性腔，所述固定支撑板中部设有与可变体积弹性腔内连通的喷水口；