论文总字数：23525字

摘 要

：鱼类和鲸类等哺乳动物的水下游动本能地利用流体力学原理，与常规的螺旋桨推进器相比有更高效、更灵活的优点，因此进行鱼类游动机制的研究对水下航行技术的发展有重要意义。而金枪鱼、海豚等的游动在鱼类中的速度和效率方面比较突出，很多学者对其游动模式的特点进行了讨论，但大多数是局限于水下的研究，一些关于出水方面的研究也是局限于刚体，如对导弹出水的研究等。而鱼的身体属于柔性体，在游动过程中会发生变形，因此对鱼这种柔性体出水的研究是一个突破点。

本文主要用数值模拟的方法，模拟鲔科鱼在水下自主游动和出水、空中滑翔以及再次入水整个出水过程的仿真。对鱼出水过程的控制：在水中，控制鱼体进行波动，尾鳍进行平动和摆动运动；在空中，鱼身和尾鳍回到平衡位置，只是控制各个节点的速度令鱼体完成空中的滑翔和翻转动作。仿真完成后，提取鱼的运动参数，讨论了鱼在游动过程中的受力情况及其速度变化规律。提取了机器鱼的能量参数，对仿鱼的能量转换方面进行了分析。关于水下游动，对鱼的功率和效率进行了研究，得出鱼尾鳍摆动位置不同，效率发生周期性变化的结论。关于出水过程，主要对推进效率做功及鱼体获得的动能和势能方面进行了分析。

本文主要实现了鲔科鱼出水过程的仿真和对一些游动性能参数的分析。当然对仿生鱼的研究不仅仅如此，为了更好实现机器鱼的出水整个过程以及考虑更多因素的影响，还需要更深入的研究。

关键词：鲔科鱼；出水过程；运动参数；能量转换

Research on the Swimming out of water and Energy conversion of Robot Fish

02011211 Bai Chen-guang

Supervised by Xia Dan

Abstract: The fish and whales can swim under water by using the theory of fluid mechanics instinctively. They have the advantages of more efficient and more flexible compared with the conventional propeller. So it has important significance to the development of underwater navigation technology to do research on fish swimming. Fish like tuna and dolphin has high speed and high efficiency and many scholars have discussed the characteristics of its winding pattern, but most is limited to the underwater. Research on the swimming out of water is also limited to the rigid body like missile. The fish’s body is flexible and it will deform when it swims. So it is very useful to do some research about it.

By using numerical simulation method, the process of the fish swimming under water was simulated. And the process of swimming out of water, gliding and swimming into the water again was simulated. For the control of the fish: in the water, the body fluctuates and the fin translates and swings; in the air, the upper motion stops and the whole body glides and flips by controlling the speed of each node. After the simulation was completed, the motion parameters were extracted and the varieties of stress and speed of the fish were discussed. For swimming under water, the article studied the power and efficiency and drew the conclusion that the efficiency varies because of the position of the fin. For swimming out of water, the efficiency of advancing energy and the varieties of kinetic and potential energy were analyzed.

This article mainly achieved the simulation of tuna swimming out of water and analyzed the swimming parameters. Of course, the study of bionic fish is more than that. To achieve the whole process better and to consider more factors, further study is needed.

Keywords: Tuna fish; Process of swimming out of water; motion parameters; Energy conversion

目 录

第一章 绪论 1

1.1概述 1

1.2仿生推进机理的基本概念 1

1.2.1鱼类游动方式分类 1

1.2.2 BCF游动模式 2

1.3仿鱼推进机理的研究现状 3

1.3.1仿鱼推进机理的理论研究 3

1.3.2仿鱼推进机理的实验研究 4

1.3.3仿鱼推进机理的数值模拟 4

1.4论文的主要内容 6

第二章 动力学模型的建立 7

2.1鲔科鱼的运动学建模 7

2.1.1鲔科鱼的运动学描述 7

2.1.2鱼体模型 9

2.1.3鱼体的运动控制 9

2.2网格的划分 10

2.3初边条件 11

2.4本章小结 12

第三章 机器鱼游动过程模拟 13

3.1水下运动过程 13

3.2出水运动控制 16

3.3出水运动过程 17

3.4本章小结 24

第四章 能量分析 25

4.1仿鱼能量方程 25

4.2水下游动的能量分析 25

4.3出水过程能量分析 27

4.4本章小结 30

第五章 结论 31

致谢 32

第一章 绪论

1.1概述

随着水下航行技术的发展，为满足生产或者开发水下能源的需要，人们不断开发具有更高机动性，更高效率的水下推进系统，试图寻求更为优良的推进和操纵系统。我们从生活中或者科普知识可以发现，鱼类和鲸类等哺乳动物的游动显然比现有的水下航行器更高效，更灵活，它们本能地利用流体力学原理,通过身体的变形运动对流体产生作用力，依靠反作用力获得前进的动力，它们的巡游导航性能和机动性能常常远优于常规螺旋桨推进器，这点值得借鉴 ^[1]。因此通过研究鱼类游动的原理，揭示其换能机制，并将其与水下仿生所需的机械结构、电子设备还有新材料开发等方面的知识相结合，这样开发出类似金枪鱼或海豚等鱼类的水下推进器，可以降低能耗，提高推进效率，将会对水下推进和操纵技术以及水下仿生机器的发展产生重要影响。

仿生机器鱼方向的发展，对我国的国家安全、海洋开发、水下探测、医疗服务等领域有着重要意义。近十余年来，模仿不同鱼类的机器鱼样机相继在国内外面世^[2]，如美国MIT研制的Tuna、Pike和VCUUV，日本NMRI研制的PF600、PF700和UPF2001，北航研制的SPC系列机器鱼、中科院自动化所研制的多关节机器鱼、国防科大研制的仿生波动鳍水下机器人、哈工程研制的仿生-I号以及哈工大研制的鲔科机器鱼HRF-I等，这些仿生机器鱼的研制为研究鱼类推进机理提供了可能，也将会水下推进技术的发展产生巨大影响。与此同时，众多学者纷纷对仿生推进机理进行研究，这样在鱼类推进机理任何一方面有新的突破，都会促进水下仿生推进器的发展。

通过研究鱼类自主游动的状态、机理以及换能机制，我们可以探讨他们是如何进行高速游动并保持灵活性和高效性，通过把这些理论知识与最新的科技成果相结合，可以开发出具有高效、快速和高机动性等性能的水下推进装置或作业机器人系统。鲔科模式在鱼类所有的推进模式中具有效率最高、游速最快的特点，海洋中采用这种模式的鱼类的游动速度都比较快，如鲨鱼、箭鱼、金枪鱼、海豚等。因此研究此方面对水下推进器的发展、快速高效仿鱼机器人的发展有重要意义。

1.2仿生推进机理的基本概念

1.2.1鱼类游动方式分类

鱼的种类多样，它们也以不同的方式游动。在对鱼类游动的研究过程中，很多学者根据鱼类游动的形态特点提出了不同的鱼类游动模式的分类方法。他们主要是根据鱼的推进部位进行划分。其中一种较为详细的分类方案是Webb于1984年提出的^[3]。他根据鱼类游动产生推进力的身体部位将推进模式分为两大类：身体/尾鳍(Body and/or Caudal Fin, BCF)推进模式，中间鳍/对鳍(Median and/or Paired Fin, MPF)推进模式；每种模式可再分为几小类。BCF模式主要是是通过身体的变形运动和尾鳍的摆动获得动力；MPF模式主要是利用中间鳍，如胸鳍，背鳍等获得动力。前者的推进力大、推进效率高，但机动性能一般，适合高速度的游动，大多数鱼类采用这种推进模式，并通过中间鳍或对鳍提供稳定性和机动能力；后者的游动速度慢，稳定性好，有良好的精确定位能力和灵活机动性，大概15%的鱼类采用此种模式，此种模式可应用于空间狭窄位置进行水下作业。另外，根据鱼体游动时变形部位的运动特征，还可以将上述两种模式分别划分为波动模式和摆动模式。

1.2.2 BCF游动模式

根据推进运动的特征，可以将BCF模式再进行以下划分^[4]：鳗鲡模式（Anguilliform）、亚鲹科模式（Subcarangiform）、鲹科模式（Carangiform）和鲔科模式（Thunniform）。如图1-1是BCF模式下几种模式的鱼体运动特征。

图1-1 BCF模式下的鱼体运动特征分类

以上几种模式下鱼体的主要运动部位、身体变形状况和产生推进力的部位不同。下面对几种模式的运动特点进行介绍^[5,6]：鳗鲡模式下鱼身细长，尾鳍很短，身体的大部分或者全部会有较大振幅的波动，依靠这种波动给水一定的作用力，通过水的反作用力产生前进动力，这种模式的游动方式是纯波动的方式，身体波波速比游动速度大，因此此种方式游动速度慢，游动效率低；亚鲹科和鲹科模式鱼身前部刚性较大，摆动幅度较小，鱼身后部会产生波动变形，推进力主要由比较硬的尾鳍产生，以这两种模式游动的典型代表分别是鲑鱼和鲱鱼，这两种模式的游动速度较快，推进效率也会提高；鲔科模式的鱼类身体刚度更大，鱼体前2/3几乎是刚性的，后面部分是有限幅度的摆动，尾鳍做大幅度摆动运动，为鱼体前进提供了大部分的动力，这种游动模式的特点是游动速度最快，推进效率最高。在海洋中游速快的鱼类大多采用这种模式，如金枪鱼、海豚、鲨鱼等，这是现有水下推进机器不可比拟的，很多学者对其尾鳍的推动机理进行了讨论和研究。下图1-2将以上几种模式的特点进行汇总。

整个身体参加波动运动

鳗鲡模式 游动速度慢，推进效率低

可适应狭窄环境，机动性能好

身体刚度较大，波动主要在后半部分

BCF推进模式 鲹科和亚鲹科模式 游动速度较快，推进效率较高

保持一定灵活性，机动性能较好

身体刚性很大，后1/3部分进行有限的摆动

鲔科模式 游动速度最快，推进效率最高

机动性能比较差

图1-2 BCF游动模式的特点

1.3仿鱼推进机理的研究现状

随着人们对鱼类游动持久高速和高效率特点的发现以及现在计算机技术、流体力学和新型智能材料的发展，为了实现仿生推进机器与真实鱼类游动更加接近，国内外的很多学者对鱼类的游动机理进行探索。对鱼类游动机理的研究主要有理论研究、实验研究和数值模拟研究方面。本节将介绍对仿鱼推进机理的一些研究现状。

1.3.1仿鱼推进机理的理论研究

鱼类在理论研究中有非粘性计算模型和粘性计算模型，前者可以对鱼游动时的水动力性能进行准确的分析，但不能产生漩涡，无法对周围的流场变化进行有效分析；后者不仅可以得到水动力性能的计算结果，还可以对漩涡的生成、运动和相互作用机理进行分析。

Lighthill^[7,8]提出了细长体理论，将三维非定常流动简化为准平面非定常流动，分析了形体细长的鱼获得较高的推进效率的原理，提出鱼主要依靠流体对鱼身的反作用力获得推力的观点，并对该理论进行改进，使促使鱼类游动的动力主要由鱼尾的推进力产生。

1961年，吴耀祖^[9]提出二维波动板理论，通过把鱼体看作弹性薄板，研究薄板的力学性能，对鱼类游动推进的水动力学问题进行了分析，研究了二维波动板的变速运动问题，波动板形状优化问题，细长体侧鳍的运动和优化问题，可以对大型海洋生物如鲸鱼等进行精确的运动分析。

80年代中期，童秉纲、庄礼贤等^[10]提出一种半数值、半解析的势流理论分析方法，采用非定常涡格法进行求解，分析了不同鱼类的游动模式，对鱼的推进性能和鱼类最佳游动方式进行了研究和讨论，这种方法即为“三维波动板理论”。另外，程健宇在前面理论的基础上加入鱼体脊柱、皮肤等被动生物组织的力学效应，使该模型适用于流固耦合分析。

此外，主要用于分析鲹科模式和鲔科模式的大摆幅运动游动或者说是主要由尾鳍产生推进力的鱼类的摆动翼理论的提出，使鱼体尾鳍运动可以简化为横向平动和绕摆动轴的摆动运动，对分析尾鳍的水动力性能提供了依据。苏玉民等^[11]采用面元法对刚性及柔性尾鳍的水动力性能进行了计算，分析了尾鳍水动力学性能在不同运动参数下的特点。

1.3.2仿鱼推进机理的实验研究

实验是进行理论研究的一种非常重要的手段，对仿鱼推进机理的研究也不例外。数字粒子图像测速技术和高速摄影技术的发展，为捕捉鱼类游动过程中流场变化提供了条件。这些实验研究包括活鱼观测实验和样机模拟实验，模拟样机实验通过给定一定的流体速度或者身体的前进速度和变形，对鱼体的运动学参数和动力学参数进行测量，这样对鱼类的游动机理进行研究。

麻省理工学院的 Triantafyllou 研究小组^[12]利用一套摆动翼实验装置，如图1-3所示，对二维水翼的水动力学性能进行了研究，后来又对不同攻角下水翼产生的漩涡进行了分析，对活鱼的启动、游动和转弯过程进行了观测并对周围流场进行了定量分析。哈佛大学的Lauder小组^[13]设计了一套PIV实验装置对活鱼的游动进行观察，这样不仅可以对鱼类游动的动作进行观察记录，还可以得到流场的变化。该小组指出巡游状态下的鱼会向后脱落出排列规律的涡环。清华大学的曾理江小组设计了一套二维视频跟踪系统，如图1-4所示，他们用这套系统对活鱼的游动状态进行了跟踪，得到了鱼在游动过程中的侧视观察图和俯视观察图，这与传统的静态观察装置不同^[14]。

图1-3 鱼类游动测量装置^[13] 图1-4 视频跟踪系统^[14]

哈工大的张曦，苏玉民等^[15]在循环水槽实验室进行了水动力实验，通过建立不同形状的尾鳍模型，研究了不同尾鳍形状对尾鳍推进性能的影响。他们将仿生推进装置放在循环水槽，并在装置前端装流线型导流罩，近似地使尾鳍的来流速度恒定，用仿金枪鱼、仿海豚和仿白鲸三种尾鳍进行实验，得到尾鳍的表面压力系数分布，不同尾鳍形状下的输入功率和效率并对几种尾鳍的尾涡的形状和分布进行了分析。

1.3.3仿鱼推进机理的数值模拟

对仿鱼推进机理研究的另外一种方法是数值模拟方法，这种方法相对于以上两种方法的优点是：可以更好地模拟流场，可以考虑流体中更多的因素；可以得到流场的速度场信息和压力场信息，能更好地定量研究鱼体的游动性能；可重复性好。另外数值模拟可以研究鱼体自主游动的力学特性，通过控制鱼身的主动变形使鱼完成游动过程，而非自主游动都是给定一定的流体速度从而得到鱼身的力学特征和流体的流场变化，前者比后者更符合实际情况，因而结果更可靠。数值模拟可以更好地对参数进行控制，可以将某一变量分离出来进行处理，而实验研究则不能，这说明数值模拟更可靠。

最近，国内外的学者纷纷用数值模拟方法模拟鱼体的游动，分离出游动过程中的参数，从而对仿鱼推进机理进行研究。Liu^[16]用粘性流模型给鳗鲡式游动的蝌蚪一定的游动速度，得到了游动过程中的力学性能和非定常力学特征，对鳗鲡模式推进的流场变化进行了讨论。杨亮等^[17]用CFD方法使流体在尾鳍周围流动分离，结合比较在同一运动模式不同速度下尾鳍的水动力性能和尾迹情况，研究了金枪鱼仿鱼游动时的流体特性和尾迹涡旋结构。他们指出用数值模拟研究鱼体游动的流程并得到一个周期的金枪鱼的形态图如图1-5所示，在不同时刻尾涡的的形状如图1-6所示。

图1-5 金枪鱼在一个周期内的运动形态图

(a) (b)

图1-6 不同时刻尾涡的形状^[17]

由于鲔科鱼游动的高速和高效，很多学者还对其进行了研究。哈工大的陈维山等做了基于收敛速度的仿鱼机器人游动力学性能的数值模拟，通过改变频率和摆幅，探讨其对游动性能的影响，并得出随着两者增大，推进力和功率损耗均增大，推进效率增大并逐渐趋于稳定值的结论。鲔科鱼前进的推力主要由尾鳍提供，因此他们针对尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响方面进行了研究，通过改变平动与摆动的相位差和最大击水角度两个参数，得到收敛速度和平均推进力随两个参数先增大后减小的变化趋势的结论。张维俊^[18]对海豚游动过程中的水动力特性进行了分析研究。他对海豚表皮的减阻特性进行了分析，认为海豚柔性皮肤有被动减阻和主动减阻的作用，另外他还提出海豚获得游动所需的高升力是通过对涡进行很好控制得到的，这样可以延迟失速的发生。最后他对海豚尾涡的控制及推动效率进行了讨论。

1.4论文的主要内容

鲔科模式在水下环境中具有速度快、效率高的特点，被认为是鱼类进化的制高点，因此对鲔科模式推进机理的研究将对水下推进装置的发展产生巨大影响。前人对鲔科水下运动过程进行了仿真模拟，本文主要在水下直线自主游动算法的基础上，通过编程，给定鱼体一定的出水角度，令鱼体在合外力的作用下产生运动，并在不同的时间段控制鱼体节点的分速度使鱼实现出水和滑翔的运动过程，研究鲔科鱼在出水运动过程中的运动机理和换能机制，包括以下内容：

(1) 对鲔科鱼的形态特征进行描述，了解鲔科鱼的柔性身体和尾鳍是如何通过变形给水一定的作用力，然后通过水对鱼的反作用力产生运动的。身体部分是进行波动运动，尾鳍是进行平动和摆动，因此要分别建立身体和尾鳍的运动方程，通过用VC 编程实现对身体和尾鳍变形的控制，实现其出水过程。

(2) 在进行仿真之前，前期准备工作也比较重要，比如网格的划分、边界条件的设定等。只有网格划分的质量比较好，而且边界条件设置无误才能保证仿真的顺利和准确，本文也对在实际操作中进行网格划分及水下和出水不同的边界条件进行了介绍。

(3) 对鱼在水下游动和出水运动分别进行仿真，分析鱼在水下游动以及出水过程中的主要受力和运动规律及其各个方面的功率如前进功率、侧向功率等，建立能量评价函数，对鱼在游动过程中的能量变化规律进行分析。

第二章 动力学模型的建立

在对鱼体游动进行仿真验证前，必须要对鱼体建立动力学模型，首先要对鱼类的身体形态和运动特点进行分析，了解其运动过程，才能在运动学方程和直线自主游动的数值算法的基础上进行编程，实现鱼整个出水过程的模拟。

2.1鲔科鱼的运动学建模

2.1.1鲔科鱼的运动学描述

鲔科鱼类的身体呈流线型，能够大大减小其身体在游动过程中受到的阻力，如海豚在水中运动所受到的阻力是人体的八分之一。这种流线型也被广泛用于水下航行器的设计方面。如图2-1金枪鱼的身体结构和形状。它主要是通过尾鳍产生前进的动力，其它的鱼鳍如中间鳍、对鳍等是对鱼游动过程中的方向进行调整以保持稳定性。

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