水下仿生推进机理：动力学与CFD分析

　　鱼类以其快速、高效和高机动性的运动方式吸引了国内外研究者的关注，对其运动机理进行研究可为水下仿生航行器的设计及工程应用提供理论基础。结合作者及所在课题组近年来的研究进展，本书详细论述了水下仿生推进机理的动力学特性与数值模拟研究情况。

　　崔祚，男，1988年出生，副教授，国防科技大学博士后，博士毕业于哈尔滨工业大学，主要研究方向包括仿生机器人、计算流体力学和水下发射技术等，现主持参与国家自然基金项目、国防军科委特区项目、军科委基础加强项目以及其他省部级10余项，发表SCI论文20余篇，发明专利5项。担任《Scientific Reports》、《Journal of Bionic Engineering》、《IEEE Robotics and Automation Letters》、《Journal of Mechanical Science and Technology》、《Applied sciences-Basel》、《Advances in Mechanical Engineering》和《Biology Open》等国际期刊、《机械工程学报》和《水下无人系统学报》等国内期刊以及多种国际会议审稿人。

目录

第1章绪论

1.1研究背景

1.2鱼类仿生学的研究内容

1.3复合波动推进鱼类概述

1.3.1鱼类推进模式分析

1.3.2鱼类游动性能评价

1.4仿生机器鱼研究现状

1.4.1刚性结构仿生机器鱼

1.4.2柔性结构仿生机器鱼

1.4.3刚柔耦合结构机器鱼

1.5水下仿生机理研究现状

1.5.1鱼游水动力学理论研究

1.5.2鱼游实验研究

1.5.3鱼游数值模拟研究

1.5.4鱼体变刚度特性研究

1.6水下仿生技术难点

1.7本书主要内容

参考文献

第2章波动推进鱼类运动的复模态特征

2.1引言

2.2波动推进鱼类运动学分析

2.2.1复合波动运动的描述

2.2.2复合波动运动无量纲化

2.2.3鱼类复合波动运动的讨论

2.3波动运动对推进性能的影响

2.3.1游动速度分析


2.3.2游动效率分析

2.4鱼类复合波动曲线复模态分析

2.4.1复模态分解方法

2.4.2乐锦鳚鱼波动曲线的复模态分析

2.4.3虹鳟鱼波动曲线的复模态分析

2.5鱼类复模态特征的影响因素

2.5.1离散间隔数的影响

2.5.2波动曲线波数的影响

2.5.3包络线参数的影响

2.5.4鱼体长径比的影响

2.6波动推进运动的复模态特征

2.6.1鱼类游动复模态分析

2.6.2行波系数与波长的关系

2.6.3行波系数与包络线的关系

2.6.4鱼类波动推进模式新分类——行波系数法

2.7本章小结

参考文献








第3章波动推进鱼类动力学建模

3.1引言

3.2鱼类波动运动的离散化

3.2.1波动运动的离散基础

3.2.2鱼类运动的离散模型

3.2.3鱼类离散模型参数优化

3.3鱼类游动动力学模型

3.3.1游动鱼体建模分析

3.3.2鱼体受力分析

3.3.3鱼体运动求解——振型叠加法

3.3.4鱼体运动求解——常微分方法

3.4鱼体游动动力学特性分析

3.4.1鱼体模型参数

3.4.2鱼体波特性分析

3.4.3激励特性对游动性能的影响

3.5本章小结

参考文献


第4章鱼类推进变刚度动力学特性

4.1引言

4.2鱼类冗余串并联生理结构

4.2.1鱼类的骨骼结构

4.2.2鱼类的肌肉性能

4.2.3鱼类骨骼、肌肉的串并联结构

4.2.4鱼体变刚度结构

4.3冗余串并联鱼体结构模型

4.3.1鱼体模型尺寸

4.3.2鱼体模型质量与转动惯量

4.4冗余串并联鱼体刚度设计

4.4.1刚度设计方法

4.4.2串并联结构变刚度分析

4.4.3冗余串并联结构鱼体变刚度设计

4.5基于SimMechanics的鱼游仿真分析

4.5.1鱼游仿真模型

4.5.2仿真模型参数设置

4.5.3鱼体包络线的拟合

4.5.4变刚度鱼体的游动性能

4.6鱼类变刚度特性实验研究

4.6.1实验方案

4.6.2结构设计与制造

4.6.3实验结果分析

4.7本章小结

参考文献

第5章鱼类推进复模态动力学特性

5.1引言

5.2基于黏弹性梁的鱼游模型

5.3柔性鱼类复模态特性分析

5.3.1鱼体自由振动特性分析

5.3.2鱼体强迫振动特性分析

5.3.3鱼体波动曲线复模态的产生原因

5.4机械阻抗对鱼类摆动曲线的影响

5.4.1鱼体阻尼对摆动曲线的影响

5.4.2鱼体刚度对摆动曲线的影响

5.5鱼体复模态特性实验研究

5.6本章小结

参考文献


第6章模拟鱼类游动的数值方法

6.1引言

6.2流固耦合数值方法概述

6.2.1流固耦合分析

6.2.2浸入边界法分类

6.3不可压NavierStokes方程求解

6.3.1控制方程

6.3.2亚格子应力模型

6.3.3空间离散

6.3.4时间离散

6.3.5压力方程

6.3.6边界条件

6.3.7MPI并行计算

6.4浸入边界描述方法

6.4.1拉格朗日界面描述方法

6.4.2Levelset界面描述方法

6.5基于边界重构的LSIB数值方法

6.5.1LSIB数值方法

6.5.2浸入物体升阻力的计算

6.6数值方法算例验证

6.6.1静止圆柱绕流

6.6.2静止圆球绕流

6.6.3强迫振动圆柱绕流

6.6.4圆柱涡激振动

6.6.5圆球的自由下落

6.7LSIB数值方法的讨论

6.7.1网格数的影响

6.7.2重复初始化次数的影响

6.8本章小结

参考文献


第7章鱼类游动数值模拟研究

7.1引言

7.2鱼类游动CFD模型

7.2.1约束游动鱼体模型

7.2.2自由游动鱼体模型

7.3约束鱼游模型的数值模拟

7.3.1摆动频率对游动性能的影响

7.3.2摆动幅值对游动性能的影响

7.3.3行波系数对游动性能的影响

7.4鱼类尾迹涡街结构分析

7.4.1二维鱼体的尾迹涡街结构

7.4.2三维鱼体的尾迹涡街结构

7.5鲹科鱼类自主游动性能分析

7.5.1流体雷诺数对游动性能的影响

7.5.2摆动幅值对游动性能的影响

7.5.3行波系数对游动性能的影响

7.6鳗鲡科鱼类自主游动性能分析

7.7鱼体外形与摆动曲线匹配分析

7.7.1摆动曲线对游动性能的影响

7.7.2鱼类外形对游动性能的影响

7.8本章小结

参考文献

附录鱼类波动曲线生物学数据

参考文献