“尼罗河魔鬼”长背鳍波动包络线的提取算法

"尼罗河魔鬼"采用长背鳍波动推进方式,属于典型的奇鳍/对鳍推进鱼类.在已有的理论模型中,细长体理论(Elongated-body theory)较为适合于分析该类游动方式的推进性能.长背鳍的波动包络线方程是细长体理论的必要参数.拍摄实验样本(MPC-I)的自由游动视频,从中选取多组平稳运动图像序列,经旋转校正、零点配准、尺度归一、小波去噪等预处理后,提取了柔性长背鳍波动推进时的顶端边缘轮廓样本曲线簇,进而给出了波动包络曲线的多项式拟合方程.实验结果表明长背鳍波动包络线提取算法是有效的,根据算法所提取的长背鳍波动包络线方程为后续的推进力及推进效率的分析奠定了基础.     

仿生扭波推进模型航行试验研究

为研究长鳍扭波推进的水动力性能,在对尼罗河魔鬼鱼形体构造、游动模式研究的基础上,研制了一种仿生长鳍扭波推进航行器.该推进器能逼真地模仿尼罗河魔鬼鱼长背鳍的扭波运动模式,产生强劲的水动力.在水池中开展扭波推进模型航行试验,得到了航行速度与扭波频率的关系曲线.该曲线表明:扭波推进模型的航行速度与扭波频率成正比.提出了一种测量机器鱼鱼鳍推水功率的实验方法,实验结果表明:扭波长鳍的推水功率与扭波频率的3次方成正比.     

“尼罗河魔鬼”柔性长鳍运动曲面建模与仿真

以"尼罗河魔鬼"柔性长背鳍的波动运动为研究对象,综合考虑影响柔性长鳍运动建模的诸因素,建立了描述柔性长鳍波动运动时动态曲面的数学模型,并根据试验观测获得的仿生对象相关数据及对运动学模型中相关要素的简化假设,对仿生对象鱼体及柔性长鳍动态曲面进行仿真计算,通过与试验观测获得的照片进行对比,表明建立的柔性长鳍运动曲面模型通过合理设置各种参数,能够较好地描述柔性长鳍的波动运动,具有较强的适应性和通用性.柔性长鳍运动学模型的建立为其动力学研究及其基于有限元方法的仿真计算奠定了数学基础.     

SWATH船纵向运动性能分析

根据切片理论编制了SWATH船在规则波及不规则波中的纵向运动理论预报程序.分析了航速对SWATH船在不规则波中迎浪纵向运动响应的影响规律.并研究了鳍的位置、尺度、组合形式对SWATH船纵向运动性能的影响.结果表明,中高速航行有利于发挥SWATH船优越的耐波性;增大鳍的尺度、使用艏艉组合鳍能提高SWATH船在不规则波中的纵向运动性能.     

仿鱼长鳍波动推进器研究的进展与分析

仿鱼长鳍波动推进是未来水下航行器的一个发展趋势和重要的研究方向,文章介绍了长鳍波动推进器的生物学背景,分析了长鳍波动推进的数学方法,对国内外仿鱼长鳍波动推进器的研究现状和取得的成果进行了综述,并扼要分析了目前仿鱼长鳍波动推进器控制研究的主要问题。推进系统控制遇到的挑战是大扰动情况下的状态保持、迅速机动、高效持久推进和轨迹规划与跟踪,从推进器的设计和控制上解决这些困难将依赖于工程技术科学和生物科学的进展状况。     

柔性长鳍仿生装置波动控制技术

以“尼罗河魔鬼”柔性长鳍的波动运动为背景,主要研究了柔性长鳍仿生装置的波动控制技术。首先研究了柔性长鳍推进波产生原理及其技术实现方案;其次,针对仿生装置的实际系统建立了鳍面运动学模型,从中提取了能够实现柔性长鳍多种波动模式的波动控制参数,并对柔性长鳍几种特定波动模式的实现方法进行了仿真研究;进一步,根据仿生装置的物理约束条件提出了控制参数的合法性判据;最后,研究了柔性长鳍仿生装置的波动控制策略及其控制流程。研究结果表明柔性长鳍仿生装置通过合理设置控制参数能够模拟仿生对象的多种波动运动模式,并实现推进波的多参数控制,能够满足柔性长鳍多种波动参数下的非定常流体动力学测试的需要。     

鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响

为考察鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响,用基于速度势的面元法建立了吊舱推进器水动力性能计算的数学模型,对附鳍的吊舱式推进器的定常及非定常水动力性能进行了预报.螺旋桨和吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算来处理.采用计算较为简便的关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面形状的面元以消除面元间的缝隙.在桨叶随边满足压力Kutta条件,用Yanagizawa方法求得物体表面的速度分布.计算了无鳍、单鳍和双鳍拖式吊舱推进器的水动力性能,计算结果表明,鳍会产生推力,使得双鳍时整个推进器的水动力性能最好,单鳍次之,无鳍最低.     

小水线面双体船（SWATH）耐波性特点及影响因素分析

本文应用切片理论预报了ＳＷＡＴＨ耐波性,建立了ＳＷＡＴＨ的耐波性理论预报程序。通过若干艘ＳＷＡＴＨ的耐波性计算,分析了船形及固定式鳍的尺度、纵向位置、组合方式的变化以及纵摇角速度负反馈自动控制鳍对ＳＷＡＴＨ耐波性的影响,为ＳＷＡＴＨ的船形设计及鳍的方案选择提供了耐波性方面的根据。     

小水线面双体船波浪中纵向运动性能模型试验研究

在拖曳水池里开展了小水线面双体船顶浪规则波中纵向运动模型试验,研究了航速和拖点垂向位置对船体纵向运动性能的影响。试验结果表明:不同航速下,船体的垂荡响应算子和纵摇响应算子均随着波长变化呈现出双极值;航速对垂荡响应算子极值的影响较小,对纵向响应算子极值的影响较大;除了短波中的共振区附近,拖点在重心时的运动响应算子与拖点在推力轴线时的运动响应算子相比有所减小。     

影响桨毂帽鳍助推效率的主要参数

为了分析影响毂帽鳍的水动力性能的各种因素,采用计算流体力学软件对粘性流场中毂帽鳍的敞水性能进行了计算研究,模拟了某型毂帽鳍在不同参数和不同进速系数下的效率变化曲线。通过对计算结果的对比分析可以得出:毂帽鳍的半径最好不要大于螺旋桨直径的1/3,否则会产生过大的反向推力,造成附加推力的下降;毂帽鳍要处于合适的安装角度范围内,才能使得它对螺旋桨的综合效率最大;轴向位置也存在一个最佳值,过大则桨对毂帽鳍的诱导速度会随之降低,而过小桨叶和鳍片之间的干扰会造成扰流,导致效率的下降。同时,从整个桨的静平衡和回收效率考虑,选定鳍叶数和桨叶数相同较为合适。