鱼尾摆动形成的反卡门涡结构分析.docx

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ProceedingsofThe6thChinaNationalConferenceonExperimentalFluidMechanics

鱼尾摆动形成的反卡门涡结构分析

申功蚯，张永刚，谭广琨，苏文翰

（北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系流体力学研究所100083）

摘要本文对一个带有类似梯形翼形状鱼尾的5自由度机器鱼通过采用速度平衡法测得了其最佳摆动方式及速度，并采用了无支干张线式支撑，在特定状态下进行了流动显示实验观察，初步探索机器鱼游动时的水动力学性能和其游动的机理。

关键词机器伍，流动显示，旋涡控制，反卡门涡

TheanalysisofreverseKarmanvortexstructureswhilethe

tailfinswinging

ShenGong-xin,ZhangYong-gang,TanGuang-kun,SuWen-han

（Dept,ofFlightVehicleDesignandAppliedMechanics,BeijingUni.ofAero.&Astro.,Beijing100083）

Abstract：

Inthispaper,thebestswimmingstateandthehighestvelocityofafivedegreesoffreedomroboticfishwithatrapezium-liketailwasobtainedthrougharelativebalancemethodofvelocity.Then,thismechanismwassupportedbyatensor-filamentsupportingsystemwithoutanybrackets.Theresearchersmadesomeflowvisualizationexperimentstotheroboticfishinsomespecialstatesandprimarilyexploredthehydrodynamiccharacteristicsandtheswimmingmechanismofthefish.

Keywords:

roboticfish;flowvisualization;vortexcontrol;reverseKarmanvortex

引言

现代仿生学的发展已经取得了很大的进展，很多成果已经被广泛地应用到人们的实际生活中，尤其是大量的先进技术被应用到军事领域。

而对于鱼的研究也是其中一个重要领域。

早在1936年Gray就把一个坚硬海豚模型以20海里/小时速度运动时所需的功率和其可得到的肌肉功率估计量进行了比较，发现海豚可得到的肌肉功率要比推动一个坚硬的海豚模型所需功率少近7倍（Gray的疑题）。

Lighthill（1975）和Wu（1961,1971）的基本著作也已经阐明了仿生鱼推进力的无粘水力学，预言有较高的推进效率。

MIT也做了长期的研究⑴^气他们所做的是仿金枪鱼的实验。

在他们的实验中用了一条6自由度的仿生金枪机器鱼⑴，实验给出了仿金枪鱼的阻力减少量相对于其无量纲频率St数、身体摆幅A、波长入、以及尾鳍的攻角Q和相位角0之间的具体函数图像关系。

同时其也做了简单的二维流动显示实验，给出了一定的涡的形态。

但是他们的实验存在一定的缺点就是采用背支撑，对于实际流场有很大影响。

本文对一个带有类梯形翼鱼尾形状的5自由度机器鱼作了速度测量实验和流动显示实验观察，实验中采用速度平衡发准确测得最佳摆动方式及速度；此外，采用一套张线支撑系统进行流动显示实验，这样可以有效的减少支撑环境对实验中流动的影响，主要分析了鱼尾摆动后反卡门涡的形成机理与推进作用。

1.实验模型及方法

我们这里采用的机器鱼模型是由北京航空航天大学机器人研究所研制的仿生机器鱼模型，如图1所示。

该鱼是一条具有刚性头部，柔性身体和推动性尾鳍的推进器。

总长度约890mm,总高度为550mm（含遥控信号线导管，实验时去掉，详见文献［5］）。

图1机器鱼装置外形图

Fig.1thefigureofthefish-likeroboticmechanism

为了获得本条机器鱼的最佳摆动模式和相应的摆动频率以及摆幅，我们采取了速度平衡的方法进行测量。

方法如图2,在水洞测量区域选取一段定长距离L,然后选取某一固定水速（精确到毫米），初步选取比较接近这个速度的方程对应的波长和频率（选取标准为运行通过这段距离的时间大于10秒，因为计时可以达到0.01s,这样时间s的有效数字可以达到4位）。

然后采用其中的一个波长和频率参数，精确测量游动鱼体通过这段路程的时间7,根据公式V=L/t计算出鱼体相对于地的速

度T鱼对地,然后根据V鱼对水+V水对地=V鱼对地即可获取鱼体相对水游动速度T鱼对水。

图2测速方法图

Fig.2themethodofvelocitymeasurement

每个方程测定三次，然后对三次的速度数据进行平均，即可得到鱼体的游动速度。

实验中，我们发现摆动频率在/=1.4627iz,5自由度相对波长（即鱼体摆动部分拟合后波形占一个正弦波形的倍数，例如当相对波长n为1/2时，即鱼体摆动部分复现的形状是…个1/2波。

）为1时，游动的效果最好，此时鱼的游动速度为0.175m/s,详见［5］。

因而，我们在做流动显示实验的时候，所用的鱼的游动参数也采用此相应状态下各参数。

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第六届全国实验流体力学学术会议

图3机器鱼的吊装 图4流场观测系统

Fig.3thefixingoftheroboticfish Fig.4thesketchoftheflowfieldobservation

andmeasurementsystem

流动显示实验在北航大水洞中进行，我们采用自行设计的张线支撑系统来固定机器鱼，如图3所示,这样可以大大减少以往采用尾支撑或者背（腹）支撑时对流场带来的影响，使得实验现象更加符合实际。

在机器鱼的头部布了两根染色线，鱼身布了十六根染色线，鱼尾布了十六根线，主要是为了观察对鱼起推动作用的鱼体主要部分。

流场观测系统组成示意图如图4所示。

实验中采用运动方程和频率与速度测量中最佳摆动状态下参数相同，这里的无量纲频率为斯特劳哈尔数

St=fA/U,/为鱼尾摆动频率，，为摆幅，U为水流速度。

2.流动显示实验现象和分析

本实验中St=1.89,图5鱼尾摆动时一个完整周期的流动现象进行（，这里取鱼尾处于水平以下最大位移处为零时刻）。

实验表明：

当尾鳍从最大位置并向平衡位置摆动时，会在尾鳍地背风面形成…个启动涡，因为此时鱼尾在最大位移处时的摆速为零，突然回摆时产生非常大的加速度，直接导致启动涡的形成。

同时由实验现象得出，在鱼尾处于最大位移处时产生的启动涡并没有马上就脱落，而是逐渐的集聚能量，此时的鱼尾摆速越来越大，而其摆动加速度逐渐减小，到中间平衡位置时速度达到最大,而摆动加速度为零，此时的能量堆积最大同时启动涡也在此时完全脱落。

而当尾鳍摆过平衡位置向最大位移点摆动时，并没有涡的形成只是在尾鳍摆动的附近形成了一个剪切层。

当其在到达最大位移处又回摆时又会产生另外一个启动涡，旋向表明这两个启动涡都是反卡门涡，对鱼的前进起有利的推动作用。

这样一个周期内会在尾鳍的尾流中形成一对反卡门涡对。

随着时间的进行，会在鱼尾的后方形成明显的反卡门涡街，其周期性示意图如图6所示。

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ProceedingsofThe6thChinaNationalConferenceonExperimentalFluidMechanics

t=T/4

t=T/8

t=3T/8

t=T/2

t=5T/8

t=3T/8

t=7T/8

t=T

图5鱼尾摆动时一个周期的流动显示图片

Fig.5theflowvisualizationpicturesinaperiodwhilethesmalltailfinswinging

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图6鱼尾摆动时反卡门涡的周期性变化示意图

Fig.6thesketchoftheperiodicreverseKarmanvortexstructures

whilethebigtailfinswinging

同时我们发现，启动涡在平衡位置处脱落形成的反卡门涡，不但对鱼的前进产生主要的推动力，同时不可避免的会产生侧向力。

随着鱼的前进，会在鱼尾后方形成反卡门涡街，这样就会形成周期性的推进力和侧向力。

但是由于在一对反卡门涡之间的区间内，流体均是向后流去的（这由旋涡方向可以看出，在上二组图中每对涡的流向都是在靠近中心线的流体都是向后流），因此在这两个涡的近似对称线上形成了一股射流，根据动量定理射流理论就会引起推进力和侧向力的力产生。

另外，对应于速度测量实验只有在本状态下鱼游动的横向稳定性最好⑴，一直保持前进方向，而在其他的摆动方式状态下，都会或多或少产生一定的侧向偏移。

这也从一个侧面说明鱼自由前行时能很好的控制反卡门涡的方向排列，消除侧向力。

3.结论

本文对一个5自由度机器鱼，在水洞中利用速度平衡发得到鱼的各种工况下的最佳游动方式以及相应状态下的准确速度，并选用此参数做了流动显示实验观察。

实验采用了新型张线式支撑系统，减少了支干对流动结构的影响，得到了比较完整和系统的鱼尾摆动引起的旋涡空间结构形态的周期变化过程。

流动显示实验表明：

鱼在摆动的时候会在两边最大相位处产生启动涡，而均在平衡位置处才脱落形成反卡门涡街，对鱼的前进起主要的推动作用，但同时也不可避免的产生一定的侧向力，这完全符合以前的研究指出的射流理论。

但并不是说所有鱼的摆动的尾流涡结构都一样，其与相应的Strouhal数有很大的影响，随着St数的不同，以及摆动方程的不同，其形成的涡结构也有很大的不同，具体可以参看文献［5］。

同时，鱼尾的形状也起非常大的作用，文献［5］［6］中也有比较全面的比较分析。

我们的实验还有很多不足，就是没能系统全面的对大量的不同St数，摆动频率f,以及不同的尾攻角a进行完善的实验，同时鱼体的形状等也对实验产生一定影响，这些应该在以后的实验中加以完善。

参考文献

1BARRETTDS,TRIANTAFYLLOUMS,WOLFGANGMJ,Dragreductioninfish-likelocomotion,J.FluidsMeeh.,（1999）Vol.392,pp183-212.

2TriantafyllouMS,TriantafyllouGSandYiieDKP,Hydrodynamicsoffishlikeswimming,Annl.ReviewofFluidMechanics,2000.

3Acomparisonofmethodsforevaluatingtime-dependentfluiddynamicforcesonbodies,usingonlyvelocityfieldsandtheir

derivatives,JournalofFluidsandStructures（1991）13,551-578.

4MichaelS;TriantafyllouGS,—种高效的游泳机器，ScientificAmerican中文版，（1995）8.14-21.

5张永刚，机器鱼的水动力学性能观测实验研究，北京航空航天大学本科毕设论文，2001年7月。

6申功新，张永刚等，鱼尾正弦摆动的流动特性研究，录用待发表。

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