ABB 应用仿生学和生物力学 1176 - 2322 1754 - 2103 Hindawi 10.1155 / 2021/6630839 6630839 研究文章 水动力分析的变形值鳍金枪鱼在偏航运动 https://orcid.org/0000 - 0003 - 1768 - 8924 李 小虎 Romano Donato 江苏科技大学 镇江212003 中国 just.edu.cn 2021年 4 1 2021年 2021年 24 10 2020年 9 12 2020年 15 12 2020年 4 1 2021年 2021年 版权©2021李小虎。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

金枪鱼可以改变的面积和形状中位数鳍,包括第一个背,第二个背,和肛门的鳍。的变形值的鳍有能力调整水动力的力量,从而在一定程度上影响金枪鱼的偏航流动。本文中位数鳍的水动力分析不同变形状态下进行的数值方法,以澄清竖立的影响值鳍在偏航动作。通过比较两种变形状态的建立和沮丧,可以得出结论,建立平均鳍可以增加自己的水动力的力量在偏航运动。然而,第二个背和肛门鳍影响偏航机动性有限,他们倾向于保持稳定的金枪鱼。第一背鳍更大的升力增量处于勃起状态,可明显影响金枪鱼的水动力性能。此外,中位数鳍竖立,金枪鱼的身体的流体动力增加同步由于身体之间的交互和中位数鳍,偏航运动也是非常有益的。这项研究表明,金枪鱼可以使用变形值鳍来调整其流动性和稳定,它提供了一个新的想法对机器鱼的设计。

 中国国家自然科学基金 51805512 1。介绍

根据thrust-generation机制的差异,鱼游泳可以分为两种类型:身体和/或尾鳍(供应量)模式和中值和/或成对的鳍(强积金)模式( 1- - - - - - 4]。的基本功能中鳍这两种模式之间变化很大。在供应量模式下,中位数鳍是用来保持身体稳定和防止鱼摇摆和滚动 5- - - - - - 7]。然而,越来越多的研究表明,某些鱼类的鳍中值也被列为BCF命令模式中扮演重要角色动作。蓝鳃太阳鱼可能是研究最广泛的物种之一。杰恩et al。 8),德鲁克和雅诗兰黛 9),泰特尔和雅诗兰黛 10),卡罗尔et al。( 11, 12],Borazjani [ 13),和Flammang兰黛( 14]讨论了软蓝鳃太阳鱼的背鳍的特点并指出背鳍加速水的功能,增加水动力性能和平衡倾覆力矩;因此,稳定性和机动性可以有效地控制。

研究表明,中等鳍金枪鱼也有类似的功能。2017年,巴甫洛夫et al。 15)报道 科学的基础,第二背和肛门鳍金枪鱼和黄鳍金枪鱼是现有特定biohydraulic系统可以调整值鳍的面积和形状。平均鳍类似于水翼产生横向升力时,翅片平面与流体流动方向(在一个角度 5]。变形值鳍有能力调节水动力的力量。淋巴的控制下压力、背和肛门鳍建立同步从巡航行为与流行的直线运动搜索和摄食行为频繁变化的运动方向。受这种机制的启发,Triantafyllou et al。 16)开发了一个基本的工具和采用变形值鳍来控制它的稳定性和可操作性。结果表明,变形鳍的仿生设计为AUV(自主水下航行器)可以增强机动性在某种程度上。

金枪鱼和蓝鳃太阳鱼的面积和形状可以改变鳍。然而,他们的水动力机制明显不同。鲔鱼背鳍是一个整体刚度基本一致,而蓝鳃太阳鱼的带刺的前部和软后部部分组成,主要通过调整实现高机动灵活的部分。由于生理结构的差异,金枪鱼通常改变背的扫描角度和肛门鳍,和蓝鳃太阳鱼可以实现其背鳍的振荡运动。因此,太阳鱼的背鳍的水动力理论并不完全适用于金枪鱼。

作为一个远程和鼓舞人心的仿生学设计高性能的对象 17- - - - - - 19),有许多成就金枪鱼的水动力分析和研究。沃尔夫冈et al。 20.)利用3 d计算方法来描述蓝鳍金枪鱼的游泳运动和获得可视化近身之后结构和流体动力学的结果。Takagia et al。 21)估计,动态属性蓝鳍金枪鱼的CFD(计算流体动力学)分析并指出金枪鱼的滑移和向上游泳模式导致节能运动期间。Feilich和雅诗兰黛 22)表明,形状和刚度影响的水动力性能tuna-like尾巴。雪et al。 23)进行了数值水动力分析物理原型模仿金枪鱼基于面板的形状的方法。然后,雪et al。 24]讨论了流体场的演化规律和水动力效应在tuna-like模型从开始巡航。冯et al。 4)进行了水动力数值研究金枪鱼游泳和获得阻力系数和涡流分布C-turn操纵。王等人。 25)结合实验和计算流体动力学的方法研究小鳍在黄鳍金枪鱼稳定游泳。Macias et al。 26]进行金枪鱼游泳后流的流体动力学的评估来确定相关的主要特征通过CFD方法推进性能。然而,在上述研究中,中位数鳍金枪鱼是简化为一个固定的结构或由于各种原因删除。

巴甫洛夫et al。 15)构建CAD模型变形的太平洋蓝鳍金枪鱼第二背和肛门鳍和CFD程序进行水动力分析。通过比较两种变形状态的建立和沮丧,结论是,竖立鳍升力增加在偏航角范围内从1°到8°,和提高升阻的增加升力的结果( l / D )比率可能是有利的演习。

这模拟是创新,但它可以进一步改善。金枪鱼是为数不多的鱼有两个背鳍。巴甫洛夫的CAD模型只有第二个背和肛门的鳍。事实上,第一背鳍也可以被视为一个变形翅片,因为它能展现出槽的槽或褶皱( 15]。由于相对较大的面积和形状的变化,水动力分析的第一背鳍在不同变形状态也是必要的。此外,两个背鳍将周围的流场相互作用和影响升力和阻力的力量,因为他们非常接近,都有能力改变形状。此外,中位数鳍竖立,身体周围的流场的分布也可能改变。身体之间的交互和竖立位数鳍是值得讨论,因为它可能对金枪鱼的游泳性能有重要的影响。

本文的主要目的是阐明竖立鳍中值的影响,包括第一个背,第二个背,和肛门鳍金枪鱼的偏航动作。这项研究可能提供一个新的机器鱼的设计理念,即调整偏航机动性和稳定的变形值的鳍。本文组织如下。部分 2介绍了CAD仿真模型的金枪鱼、水动力分析的数值方法,模拟的配置参数。部分 3探讨中等鳍的水动力分析的结果在不同的变形状态和之间的交互建立中间鳍和身体。此外,分析结果与其他研究数据进行比较和验证。然后,结论部分所示 4。

 2。材料和方法 2.1。金枪鱼模型

以一个真正的黄鳍金枪鱼为原来的模具,物理原型是通过反向成型的过程。金枪鱼体长(提单)的原型是约1.17米。铺设标记点在身体和鳍金枪鱼原型是扫描进点云图像通过使用手持式三维扫描仪,如图 1。点云图像部分缺失,因为金枪鱼的原型是黑人,激光不能有效地反映出来。此外,有分散片点云,所以需要清洗和重建图像。应该注意的是,在重建,图像是黄鳍金枪鱼的身体一半需要形成一个全身形象与对称操作。基于合理的简化,背的轮廓,肛交,和尾鳍是正弦曲线的拟合最小二乘法,而身体的轮廓和部分多项式和样条曲线。金枪鱼鳍的正弦拟合曲线方程可以表示如下: (1) z n = 一个 n ⋅ 罪 b n x + c n 。

黄鳍金枪鱼的物理原型。(a)与3 d扫描仪扫描物理原型;(b)点云图像;金枪鱼(c)的拟合曲线模型。

拟合曲线的参数如表所示 1。第二个背和肛门鳍与不同变形状态通过旋转他们对点的拟合曲线 O d 和 O 一个 ,分别。简化CAD模型,标准对称翼型配置文件(NACA0015)是用于所有鱼鳍部分基于和弦和厚度的测量数据 27]。小偏离金枪鱼原型是由身体,胸和腹鳍。我们相信这些简化和偏差只有一点点影响整体的分析结果,因为的增量值中位数鳍的升力和阻力在不同变形状态更重要比绝对值在水动力分析。

拟合曲线参数。

n 一个 n b n c n x
第二背鳍 1 219.4 0.004698 10.51 0.54 ≤ x ≤ 0.72
2 218.5 0.006867 15.16 0.62 ≤ x ≤ 0.72
第一背鳍 3 241.1 0.01156 9.665 0.29 ≤ x ≤ 0.36
臀鳍 4 213.3 0.004391 7.40 0.59 ≤ x ≤ 0.78
5 213.8 0.005812 18.74 0.67 ≤ x ≤ 0.78
尾 6 194.4 0.00666 12.25 0.99 ≤ x ≤ 1.17
7 202.8 0.009863 27.17 1.08 ≤ x ≤ 1.17

直线巡航期间,第二背和肛门鳍金枪鱼都是抑郁,和第一背鳍折叠槽。在搜索和摄食行为,第二个背和肛门鳍同步勃起,和第一背鳍展开槽。金枪鱼的CAD模型与两个变形状态图所示 2。根据巴甫洛夫等的测量数据。 15),扫描角的第一背鳍,第二背鳍和臀鳍勃起状态设置为35°,58°、61°,分别。在抑郁状态下,扫描角设置为0°、76°和79°,分别。

中位数的鳍的变形状态。(一)平均鳍都是竖立。(b)中位数鳍都是抑郁。

 2.2。数值方法

鱼游,中位数鳍受到周围流体的反应力。在先前的研究中位数鳍通常被简化为一个固定的刚体,机翼和动态理论用于分析升力 F l 和阻力 F D ( 1, 28, 29日),见方程( 2)和( 3)。的力量 F l 和 F D 很容易通过测量获得的升力系数 C l 和阻力系数 C D 在这种情况下是不变的。然而, C l 和 C D 金枪鱼鳍中值是不同的,不同的变形状态由于形状的变化,区域,甚至刚度。因此,很难得出准确金枪鱼中位数鳍的水动力表达式。 (2) F l = C l ρ 年代 ν 2 2 , (3) F D = C D ρ 年代 ν 2 2 , 在哪里 C l 和 C D 分别是升力和阻力系数, ρ 液体的密度, 年代 是平均投影面积的鳍, v 是鱼的游泳速度。

本文数值方法应用于水动力分析金枪鱼及其变形值的鳍。金枪鱼游泳的流场模拟与商业ISIS-CFD流求解器采用不可压缩非定常Reynolds-averaged n - s方程。这个解算器可获得运输方程有限体积法的金枪鱼游泳。金枪鱼游泳的速度场和压力场的动量守恒方程和质量守恒的连续性方程。因为鱼类游泳的湍流现象,需要额外的传输方程湍流模型的变量可以是离散和解决类似于动量方程的形式( 30.- - - - - - 33]。这个流解算器有几个壁面湍流模型,如一个方程Spalart-Allmaras模型,two-equation k - - - - - - ε 模型和 k - - - - - - ω 模型,它可以使用在各种鱼类游泳的情况下。

一般来说,金枪鱼在大海里游泳,被视为不可压缩粘性monofluid。如果只考虑偏航或回转运动,金枪鱼在Z方向的重力是假定为抵消它的浮力。因此,金枪鱼游泳的控制方程可以简化如下: (4) ∂ ∂ t ∫ V ρ d V + ∫ 年代 ρ U − U d ⋅ n d 年代 = 0 , ∂ ∂ t ∫ V ρ U 我 d V + ∫ 年代 ρ U 我 U − U d ⋅ n d 年代 = ∫ 年代 τ 我 j 我 j − p 我 我 ⋅ n d 年代 , 在哪里 V 感兴趣的领域,或控制体积,有界封闭曲面 年代 移动的速度 U d 单位法向量 n 直接向外; ρ 控制体积的密度; U 和 p 分别代表了速度和压力场;和 τ 我 j 粘性应力张量的分量,而 我 我 和 我 j 是方向向量。

周围的流场网格的金枪鱼金枪鱼游泳动作同步,所以空间守恒定律也必须满足: (5) ∂ ∂ t ∫ V d V − ∫ 年代 U d ⋅ n d 年代 = 0 。

为了解决这个粘性流动的控制方程,无滑动边界条件对金枪鱼模型( 4]: (6) U + = U = U T + U R , 在哪里 U 的速度矢量是金枪鱼。如果金枪鱼简化为刚体,速度 U 只可以分解为两个组件( 34, 35:翻译速度 U T 和旋转速度 U R 。

偏航动作,金枪鱼只游泳 X - - - - - - Y 飞机。液体的力量 F 中位数的鳍被视为两个组件的合力 F l (或 F y ), F D (或 F x ),可以通过集成计算翅片表面上的压力和粘性力 年代 ( 4, 36]。 (7) F = F x F y = ∫ 年代 τ 1 j 我 j − p 我 1 ⋅ n d 年代 ∫ 年代 τ 2 j 我 j − p 我 2 ⋅ n d 年代 , 在哪里 p 是压力向量, 我 j 是 j th组件的方向向量, n 是单位法向量, τ 我 j 粘性应力张量。

偏航时刻 米 z 关于质心(COM)可以由以下公式计算: (8) 米 z = ∫ 年代 r × τ 1 j 我 j − p 我 1 ⋅ n + r × τ 2 j 我 j − p 我 2 ⋅ n d 年代 , 在哪里 r 是位置向量从金枪鱼的COM。

流场的数值算法的金枪鱼游泳是描述如下:

定义了金枪鱼的偏航运动规律;然后 U R 和 U T 是实施

更新金枪鱼位置根据运动规律的一步 k

解决了控制方程( 4)和空间守恒定律与无滑动边界条件(5)(6)获得金枪鱼周围的流场分布模型( 4]

计算流体动力 F 和偏航力矩 米 z 作用于中位数鳍根据公式(7)和(8)

回归( 2在下一步) k + 1

2.3。参数配置

在偏航或演习,暴露值的鳍可以产生水动力的力量,和扫描角度的变化可以直接影响升力和阻力,从而改变流动。我们定义偏航运动作为一个统一的翻译运动叠加在一个旋转运动。金枪鱼的偏航运动规律可以表示如下: (9) U = U T x = ν , U R z = ω ⋅ r , 在哪里 v 翻译速度在吗 X 方向, r COM的位置向量, ω 偏航角速度在吗 Z 轴。

流场的计算域的大小是一个长方体 6 × 4 × 4 m。雅司病的金枪鱼模型围绕其COM域根据指定的运动规律。非结构化六面体网格的生成是基于HEXPRESS™,如图 3。中间鳍的筛孔尺寸小于3毫米,和金枪鱼的身体约6毫米。盒子细化应用于改进金枪鱼周围的细胞模型。在进行计算时包括粘度、金枪鱼附近的边界层模型包含高梯度。正确捕获这些高梯度,重要的是要有足够多的网格点在边界层。是无滑动边界条件对金枪鱼模型的建议 Y + 值低于1 ( 33]。根据雷诺数和 Y + 值,第一层边界层的厚度约为0.003 ~ 0.005毫米,和层的数量大约是21 ~ 26拉伸比率为1.3。后自动优化的网格生成器在上述参数设置,总细胞领域超过1.74和161万年的勃起和抑郁状态,分别。

流场和金枪鱼的非结构化六面体网格模型:(a)体积网格的流场和(b)金枪鱼的表面网格模型。

主要的模拟配置如表所示 2。的 k - - - - - - ω SST湍流模型,它结合了一些可取的原始的元素 k - - - - - - ω 和 k - - - - - - ε 推荐模型,模型中所有基本的水动力计算好™/海洋[ 33]。这个模型的两个主要特征是一个带状混合模型系数和限制的增长快速紧张的涡粘性流动。它适用于数值分析金枪鱼游泳。翻译的速度设置为金枪鱼模型 v = 10 m / s,因为金枪鱼的游泳速度通常是30 ~ 50公里/小时。偏航角速度估计经验是0.5 ~ 1.5 rad / s。此外,一个模拟案例的角速度0.01 rad / s计算。由于相对较小的角速度,它可以用来分析中值的流体动力学鳍没有高速偏航动作。此案被称为准静态偏航运动。其他参数,如最大数量的迭代,收敛标准,初始条件,和流体属性,默认设置或显示值在细™/海洋。这些默认值满足仿真要求在大多数情况下,包括水动力分析金枪鱼游泳。

仿真参数配置。

参数 价值
域的大小 6 × 4 × 4 米
湍流模型 k - - - - - - ω 风场
偏航角速度 ω = 0.01 1.5,0.5,1.0,rad / s
翻译速度 v = 10 米/秒
时间步长 ∆ t = 5.0 e 2,1.0 e 3,5.0 e 4,3.3 e 4年代
收敛性判别准则 2订单
最大迭代次数 20.
细胞总数 安装 1744610
抑郁症 1614307
3所示。结果与讨论 3.1。在准静态下偏航运动水动力分析

阻力、升力和 l / D 比臀鳍(AF)在准静态下的勃起和抑郁状态偏航运动( ω = 0.01 rad / s)通过CFD分析,如图 4。可以看出,升力和阻力作用增加偏航角的增加( θ 在两个变形状态)。升力和阻力的勃起状态大于那些抑郁状态在偏航角范围内从0.3°20°。这表明了臀鳍可以提高其水动力的力量。偏航运动的早期阶段,阻力变化缓慢,而电梯生长迅速。但随着偏航角的增加,阻力上升的速度越来越快,而电梯上升缓慢。结果, l / D 起初比例迅速提高,达到峰值时,偏航角大约是7°~ 10°,然后逐渐减少。偏航角低于3°时, l / D 比率的勃起状态接近大萧条的状态。然后, l / D 勃起状态的比例相对较高。8.9°,偏航角的最大价值 l / D 比率的勃起和抑郁状态是5.76和5.3,分别。这意味着建立臀鳍增加它 l / D 比例约8.7%。

阻力、升力和 l / D 比臀鳍(AF)安装和抑郁状态下静态偏航运动( ω = 0.01 rad / s):(一)臀鳍的阻力;臀鳍(b)电梯;(c) l / D 臀鳍的比率。注意:AF-E(或AF-D)代表了安装(或抑郁)臀鳍的状态。

图 5显示了阻力、升力和 l / D 比两个背鳍在准静态下的两种变形状态偏航运动( ω = 0.01 rad / s)。总的来说,水动力趋势的两个背鳍与臀鳍的。两个背鳍的升力和阻力增加和偏航角的增加,和L / D比也增长,然后逐渐减少。然而,他们的水动力力量仍然有一些不同的特点。应该注意的是,第一个背(FD)鳍完全并入槽处于抑郁状态,所以它的升力和阻力被视为零。在这一刻,只有第二个背(SD)鳍产生水动力的力量。它的 l / D 率达到最大值11.7 5.8°的偏航角。第二背鳍与臀鳍相比,更重要的是活跃在大萧条状态。

阻力、升力和 l / D 比第一背(FD)和第二背(SD)鳍在准静态下的勃起和抑郁状态偏航运动( ω = 0.01 rad / s): (a)两个背鳍的阻力;(b)两个背鳍的电梯;(c) l / D 比两个背鳍。注意:FD-E代表第一背鳍的勃起状态;SD-E(或SD-D)代表安装(或抑郁)的第二背鳍。

安装的第一背鳍,第二背鳍的水动力性能发生了变化。其升力降低很多,而阻力减少一点。因此, l / D 第二背鳍的比例减少了大约50%的峰值。总之,第二背鳍是削弱的影响处于勃起状态。这类似于前面的现象在马拉松跑步者可以减少风的阻力在一定条件下背后的跑步者。自第一背鳍不远前的第二背鳍,流场的第一背鳍也会影响第二背鳍的水动力性能。当第一背鳍竖立,流场的两个背鳍部分融合在一起。背后的低压区第一背鳍延伸到第二背鳍,减少双方之间的压力差第二背鳍,导致升力的减小 l / D 比率。

然而,勃起的第一背鳍弥补第二背鳍的削弱。第一背鳍的阻力和升力比第二个更大的背和肛门的鳍。它的 l / D 比成为最大的11.2的偏航角6.4°,也高于其他两个鳍。它表明了第一背鳍扮演着主导的角色在三位数鳍。这个结果很容易理解。在勃起状态,第二背鳍和臀鳍的面积约57%和55.6%的第一背鳍,分别。第二背鳍和臀鳍面积增加15%和15.7%,而第一背鳍是100%。这两个值的绝对面积鳍,以及增量区域,远小于第一背鳍,导致更少的水动力的力量。

图 6是所有的偏航力矩值鳍在准静态下的勃起和抑郁状态运动( ω = 0.01 rad / s)。可以看出,第二个背和肛门的偏航时刻鳍在两个变形状态是消极的。这表明他们有能力防止偏航机动性和促进稳定。但是第一背鳍的确有改善流动性的功能。在勃起的状态,其偏航力矩是正的。虽然第二背和肛门鳍的水动力的力量非常小,他们时刻相对较大是由于COM的距离越长。大多数时候,积极的时刻产生的第一背鳍不能完全抵消的反向时刻第二背和肛门的鳍。

偏航力矩值鳍的安装和抑郁状态下静态偏航运动( ω = 0.01 rad / s): (a)各自的时刻所有的鳍中位数;(b)的主矩值鳍。

从图 2,可以看出第一背鳍位于COM,前面和背后的第二个背和肛门鳍COM,这直接导致相反的偏航时刻,不同的水动力性能。上述分析结果一致的意见Triantafyllou et al。 16],中位数鳍可以增加偏航率只有放在面前的偏航运动的中心,在气动中心的后面。与第二个背和肛门鳍相比,第一背鳍是可以提高偏航流动性。

当偏航角 θ 低于4°,所有中间的主矩鳍在勃起状态是一个很小的值。这意味着在0°~ 4°的偏航角,鳍中值作为一个整体几乎是在一个中立的位置,影响可操作性和稳定性。金枪鱼擅长长途巡航和相对刚体和大转弯半径与其他鱼( 15]。这可能表明,把或偏航运动通常是在一个相对较小的偏航角来实现。中位数的中立鳍在小偏航角对金枪鱼可能是有益的控制游泳行为,使其更容易可操作性和稳定性之间的权衡。

每一个三位数的鳍的水动力分析的两种变形状态已经完成。更重要的是,在多大程度上可以平均鳍的水动力影响游泳金枪鱼的性能。没有考虑到胸,骨盆,尾鳍,我们定义fin-to-body ( F / B )比水动力的力量之和的比例这三个值鳍的水动力金枪鱼的身体。如图 7,在偏航角范围内从0.3°20°, F / B 提升比例约为16.9% ~ 25.7%和29.9% ~ 45.7%的抑郁症和勃起状态,分别。的 F / B 阻力比率约为7.5% ~ 17.1%和22.1% ~ 38.3%,分别。可以看出,由于第一背鳍的参与 F / B 比率大大增加勃起状态,三立中间鳍的水动力的力量已经达到这样一个水平,这是不容忽视的。此外,当偏航角小,曲线 F / B 提升比率处于较高的位置,而的 F / B 阻力比率相对较低。这意味着平均鳍金枪鱼的偏航运动有更大影响的小偏航角。正如上面所讨论的,这可能是一种优化的中位数鳍游泳控制在小倾角偏航运动。

的 F / B 在准静态下的勃起和抑郁状态比偏航运动。

 3.2。Body-Fin交互

需要指出的是,勃起的平均鳍不仅影响自己还金枪鱼的身体的流体动力学。如图 8,身体的升力和阻力也增加,当所有的中位数鳍竖立。和最大的价值 l / D 身体的比例从4.3上升到5.1的偏航角9.3°。增加18.6% l / D 金枪鱼在搜索和喂养比例是非常有益的行为。因为金枪鱼的身体是完全相同的两个变形状态,我们相信body-fin交互负责 l / D 比率。这是在协议与刘的观点等。 37]。通过比较body-median-fin模型和体内模型中,他们得出结论说body-fin互动提高推力鱼在游泳。它从本文略有不同。他们的结论聚焦的影响是否存在中间鳍的水动力的力量,当我们关心的变形状态的影响值的鳍。经过长期的进化,金枪鱼已成为一个复杂的和复杂的系统。其形态结构的任何变化可能导致明显的总体性能的变化。的变形状态值鳍对人体有重要影响水动力的力量,从而进一步影响游泳金枪鱼的性能。

阻力、升力和 l / D 金枪鱼的身体比在准静态下的勃起和抑郁状态偏航运动( ω = 0.01 rad / s):(一)身体的阻力;(b)身体的提升;(c) l / D 身体的比例。注意:中(或罪犯)代表身体的流体动力(B)当所有中间鳍竖立(或沮丧)。

关于body-fin互动一个可靠的解释是,身体周围的压力分布变化中位数鳍是竖立。图 9压力是身体的轮廓在两个变形状态的偏航角9.5°。切平面的坐标 z = 0.12 米,靠近背鳍。当第一背鳍折成槽,切平面上的身体周围的压力场是偶数。勃起的平均鳍,前沿的压力的身体上游表面增加,而下游表面的压力减少,从而扩大双方之间的压力差。这是电梯和增长的直接原因 l / D 比率。另一个现象也可以看到从图 9。与勃起状态相比,周围的流场第二背鳍出现明显的高压和低压地区处于抑郁状态。这进一步证实了第二背鳍少水动力力量处于勃起状态。

压力的金枪鱼的身体轮廓切平面 Z = 0.12 米的偏航角9.5°的抑郁和勃起状态,分别为:(a)身体的等压线当所有的中位数是抑郁;(b)的等压线的身体当所有的中位数是竖立。注意:身体的白色椭圆形切割部分和第二背鳍,分别。

图 10升力和阻力增量的勃起状态。可以看出,第二个背和肛门鳍的升力增量相对较小。看来,自己的水动力变化部队很难产生重大影响金枪鱼的流动性。当偏航角小,升力增量的第一背鳍是最大的,其次是身体。他们共同努力加强游泳金枪鱼的性能。随着偏航角的增加,电梯增加身体的是更大的,和它的阻力增量相对低于第一背鳍。渐渐地,身体更高效的水动力性能。这意味着body-fin交互,而不是中间鳍,可能改善流动性的一个重要原因处于勃起状态。

升力和阻力增量的勃起状态的身体(B),第一次背(FD),第二个背(SD)和肛门鳍(AF)在准静态下偏航运动( ω = 0.01 rad / s)。

如图 11从时间的角度增量,第一背鳍和身体仍然扮演着重要的角色在促进偏航动作。他们时刻增量通常比第二个大背和肛门的鳍。正如上面提到的,第二个背的时刻和肛门鳍是负的。在勃起状态,由于水动力的减少部队第二背鳍,其扭转力矩降低,相当于增加积极的时刻。但臀鳍产生扭转力矩,进而抑制偏航运动。时刻的总和增量很小的偏航角内0°~ 9°。它表明安装第二个背和肛门鳍的影响有限偏航动作时,偏航角低于9°。

身体的增量在勃起状态(B),第一次背(FD),第二背(SD),肛门鳍(AF)在准静态下偏航运动( ω = 0.01 rad / s)。

 3.3。水动力分析在偏航动作

不同于准静态运动、偏航动作有更高的角速度。与偏航速度的增加,鳍的水动力特征值变化在某些方面。如图 12, l / D 臀鳍的比率迅速上升到最大值时,偏航角是大约2.5°~ 5.5°两个变形状态。与准静态条件下相比,高峰值 l / D 比之前出现。这是符合金枪鱼small-inclination轴向运动的特点,更有利于快速干预中位数鳍的偏航动作。当角速度0.5 rad / s, rad /秒,1.0和1.5 rad / s,对应的最大价值 l / D 比在勃起状态是7.1,10.0和14.7。在抑郁状态,它是7.6,13.1,和17.9,分别。显然,这显示了两个点。一个是, l / D 比例增加而增加的偏航速度在同样的变形状态。另一个是 l / D 勃起状态的比率小于萧条的国家以同样的速度。类似于臀鳍, l / D 比第二背鳍在勃起状态也减少,降低是更重要的。的最大 l / D 比第二背鳍抑郁状态可以达到12.8,13.9和15.4,与相应的偏航速度0.5 rad / s, 1.0 rad / s,和1.5 rad / s。但在勃起状态,减少到6.6,7.7,和9.8,分别。由于第一背鳍的负面影响 l / D 比率减少大约36 ~ 48%。可以看出,肛门的勃起和第二背鳍只提高了电梯和拖,不是 l / D 比率。换句话说,阻力的增加超过了升力处于勃起状态。不是有益的水动力性能的提高。

的 l / D 比率和升力增量的肛门和第二背鳍两个变形状态的偏航角速度 ω = 0.5 rad / s, 1 rad /秒,1.5 rad / s,分别为:(a) l / D 臀鳍的比率;(b) l / D 比第二背鳍;(c)电梯增量的肛门和第二背鳍。

此外,竖立的升力增量臀鳍在偏航动作是一个积极的价值,而建造的第二背鳍是一个负值。他们的升力增量之和几乎为零,所以对金枪鱼的流动性的影响几乎彼此抵消。同样,时刻增量也相互抵消。从升力和力矩增量的角度来看,这两个值的鳍的勃起不直接提高金枪鱼的流动性在偏航动作。这与前面的结论是一致的。中位数的鳍金枪鱼类似于飞机的机翼变形。根据变形翼机翼理论,可以优化飞机的飞行性能在高和低速度。建立翼主要是用于改善低速稳定而非机动性。同样的原则,第二个背的勃起和肛门鳍可能更倾向于提高金枪鱼的稳定,而不是其偏航机动性。

如图 13,最大 l / D 第一背鳍的比率的增加略有减少偏航速度。当速度是0.5 rad /秒,1.0 rad / s,和1.5 rad / s,对应的值是9.7,10.2,和10.7,分别。的 l / D 身体的比例通常是更大的在勃起状态比大萧条的状态在任何给定的角速度。和的最大值 l / D 比增加约10 ~ 18%处于勃起状态。无论身在哪个州, l / D 率曲线收敛在一个交点。偏航角点是5.9°的勃起状态,虽然7.3°处于抑郁状态。当偏航角小于点, l / D 比率的增加与增加偏航速度;否则,他们与角速度的增加减少。

的 l / D 比和升力增量的第一背鳍和身体两个变形状态的偏航角速度 ω = 0.5 rad / s, 1 rad /秒,1.5 rad / s: (a) l / D 比第一背鳍;(b) l / D 身体的比例;(c)电梯增量的第一背鳍和身体。

电梯增量的第一背鳍和身体并不改变与不同的偏航速度时,偏航角低于9°。他们是远远大于第二个背和肛门鳍的升力增量,这足以影响游泳金枪鱼的性能。这些进一步确认第一背鳍和body-fin互动是两个主要的方法来提高水动力的势力勃起状态。

金枪鱼有两个背鳍,和它们的功能是不同的,由于不同的立场。第一背鳍位于COM的前面,及其对偏航运动水动力的力量可以提供积极的时刻,而第二背鳍是相反的。这可能提供一种新的仿生机器鱼的设计想法。大多数现有的机器鱼,模仿供应量游泳模式只有一个固定的背鳍。受此机制的启发,我们可以使用两个变形背鳍平衡的可操作性和稳定性调整安装的机器鱼或抑郁状态。

 3.4。比较验证

网进行的独立研究使用三个不同的网格抑郁状态,约1.24(粗),1.61(媒介),和2.56(细)百万细胞,分别。图 14是 l / D 身体的比例不同的网格在同一偏航速度0.01 rad / s。可以看出,仿真数据的三组相互非常接近。以细网格的结果为参考,粗网格和介质网格的最大误差约为2.51%,2.1%在偏航角范围内从0.5°20°,分别平均误差约为0.96%和0.4%。本文中使用的介质网格的准确性是可以接受的,不影响上述结论的正确性。这表明这些模拟网格独立。

的 l / D 身体的比例与不同的网格( ω = 0.01 rad / s;抑郁状态)。

验证当前结果的可靠性,而巴甫洛夫等的仿真数据,如图 15。总体上的趋势 l / D 率曲线是相似的。的 l / D 第二背鳍的比率增长迅速时,偏航角很小,达到偏航角的最大值范围内从4.5°到7.5°,然后逐渐减少到2 ~ 3.5。基本上,这种趋势也是一致的测试数据变形水生微飞行器( 38],它可以改变扫描角的机翼在飞行。这表明本文的模拟结果在一定程度上是可靠的。

比较当前的仿真数据结果与巴甫洛夫:(a) l / D 比第二背鳍;(b) l / D 臀鳍的比率。

由于CAD模型的差异,绝对的值 l / D 当前的结果和巴甫洛夫之间的比率是不同的数据。本文的模型是基于一个黄鳍金枪鱼和使用NACA0015翼型截面的鳍,虽然巴甫洛夫的模型构造没有蓝鳍金枪鱼形态的一些细节,包括第一背鳍和腹鳍( 15]。如前所述,第一背鳍的存在削弱了 l / D 比第二背鳍,导致一个明显的区别在勃起状态。此外,本文仿真进行偏航速度0.01 rad / s,而巴甫洛夫在静态条件下得到的数据。这也是差异的原因之一。在不同的建模和计算方法,它是一种常见的现象,有一些差异在仿真结果的绝对值。然而,相对价值是本文的重点。我们关心的是电梯和 l / D 增量之间的安装和抑郁状态。事实上,的增量值 l / D 比率接近对方。的 l / D 摘要增量的竖立臀鳍大约是8.7%,和巴甫洛夫的结果是约11%。这也类似于西达的数据等。 38]。我们都得出相同的结论,建立中间鳍可以增加自己的电梯在某种程度上。这进一步验证了仿真结果。但它也应该强调我们的观点在某些方面不一致。巴甫洛夫等人指出,建立第二背和肛门鳍可能促进演习,但本文的分析结果表明,只有第一个背鳍可以提高机动性。

 4所示。结论

扫描和测量的基础上真正的黄鳍金枪鱼的物理模型,两个变形状态的CAD仿真模型构造中位数的鳍。中位数鳍的水动力分析不同变形状态下由数值方法,澄清的影响值鳍金枪鱼的偏航运动。通过仿真结果的讨论,可以得出以下结论:

勃起的平均鳍可以提高水动力的力量。的 l / D 比竖立臀鳍最多增长了8.7%。由于第一背鳍的负面影响的流体力学第二背鳍减少勃起状态。后面第二背鳍鳍和肛门都位于COM和产生反向偏航力矩。总升力和力矩变化之间的两个变形状态,所以金枪鱼的偏航流动性影响是有限的

因为面积较大增量的第一背鳍,其水动力增量在勃起状态远远大于第二背鳍和臀鳍。和第一背鳍位于前面的COM可以产生积极的偏航力矩,这有利于提高偏航金枪鱼的性能。因此,相信在三位数的鳍,竖立第一背鳍在改善偏航流动起着主导作用

除了提高自己的水动力的力量,勃起的平均鳍也会影响身体的流体动力学。当平均鳍都竖立起来,身体周围的流场分布的变化,增加升力和偏航力矩。这个body-fin交互也对偏航策略有着重要的影响,进一步提高金枪鱼的水动力性能。这表明与第二背鳍和臀鳍相比,建立第一背鳍和body-fin交互产生更重要的影响提高偏航流动的金枪鱼

根据上面的分析结果,我们有理由相信,第二个背和肛门鳍金枪鱼倾向于保持偏航稳定,虽然第一背鳍有助于提高偏航流动性。基于这种仿生原理,三个变形值的鳍可以为机器鱼设计来促进他们的偏航控制的可操作性和稳定性。在未来的研究中,我们将这种机制应用到水下。

 数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

 确认

这项工作得到了国家自然科学基金资助下的中国51805512。

 Sfakiotakis M。 车道 d . M。 戴维斯 j . b . C。 审查的鱼游泳为水上运动模式 IEEE海洋工程》杂志上 1999年 24 2 237年 252年 10.1109/48.757275 2 - s2.0 - 0033115087 Korsmeyer k . E。 Steffensen j·F。 Herskin J。 能量的值和双鳍游泳,身体和游泳,尾鳍和步态过渡鹦嘴鱼( Scarus schlegeli)和引金鱼( Rhinecanthus aculeatus) 《实验生物学》杂志上 2002年 205年 9 1253年 1263年 11948202 Scaradozzi D。 Palmieri G。 科斯塔 D。 Pinelli 一个。 自治水下机器人供应量游泳运动:一个回顾和一个新颖的解决方案来提高控制和效率 海洋工程 2017年 130年 437年 453年 10.1016 / j.oceaneng.2016.11.055 2 - s2.0 - 85006754118 冯 y K。 刘 h . X。 苏 Y Y。 苏 y . M。 数值研究流体动力学的自航下C-turn机动tuna-like鱼的身体 流体和结构》杂志上 2020年 94年,第102954条 10.1016 / j.jfluidstructs.2020.102954 韦伯 p W。 控制姿势,深度,和游泳轨迹的鱼类 综合比较生物学 2002年 42 1 94年 101年 10.1093 /学院/ 42.1.94 21708698 韦伯 p W。 魏斯 D。 稳定性和操纵:鱼类游泳期间稳定的挑战 综合比较生物学 2015年 55 4 753年 764年 10.1093 /学院/ icv053 2 - s2.0 - 84943412103 26002562 萨拉查 R。 富恩特斯 V。 Abdelkefi 一个。 生物和bioinspired水生系统的分类:审查 海洋工程 2018年 148年 75年 114年 10.1016 / j.oceaneng.2017.11.012 2 - s2.0 - 85034266002 杰恩 b . C。 镇压 答:F。 兰黛 g . V。 函数在蓝鳃太阳鱼的背鳍:运动模式在四个不同的运动行为 杂志的形态 1996年 228年 3 307年 326年 10.1002 / (SICI) 1097 - 4687 (199606) 228:3 < 307:: AID-JMOR3 > 3.0.CO; 2 z 29852635 德鲁克 e . G。 兰黛 g . V。 运动功能的硬骨鱼鱼的背鳍:实验分析后部队在翻车鱼 《实验生物学》杂志上 2001年 204年 17 2943年 2958年 11551984 泰特尔 e . D。 兰黛 g . V。 蓝鳃太阳鱼逃跑反应的流体动力学, Lepomis macrochirus 《实验生物学》杂志上 2008年 211年 21 3359年 3369年 10.1242 / jeb.020917 2 - s2.0 - 55549106480 18931309 卡罗尔 b。 Standen e . M。 兰黛 g . V。 Ashley-Ross m·A。 鱼翅中值函数在蓝鳃太阳鱼的逃避反应(Lepomis macrochirus)。我:鳍条方向和运动 《实验生物学》杂志上。 2012年 215年 16 2869年 2880年 10.1242 / jeb.068585 2 - s2.0 - 84864373137 卡罗尔 b。 Standen e . M。 Ashley-Ross m·A。 Ashley-Ross m·A。 鱼翅中值函数在蓝鳃太阳鱼的逃避反应(Lepomis macrochirus)。2:鳍条曲率 《实验生物学》杂志上。 2012年 215年 16 2881年 2890年 10.1242 / jeb.068593 2 - s2.0 - 84864349267 Borazjani 我。 尾的功能作用和肛门/ C-start蓝鳃太阳鱼的背鳍 《实验生物学》杂志上。 2013年 216年 9 1658年 1669年 10.1242 / jeb.079434 2 - s2.0 - 84876881859 Flammang b E。 兰黛 g . V。 功能形态学和流体动力学的落后在蓝鳃太阳鱼游泳,_Lepomis macrochirus_ 动物学 2016年 119年 5 414年 420年 10.1016 / j.zool.2016.05.002 2 - s2.0 - 84992490681 27291816 巴甫洛夫 V。 Rosental B。 汉森 n . F。 啤酒 j . M。 教区 G。 Rowbotham 我。 块 b。 液压控制鳍金枪鱼:脊椎动物淋巴系统的运动 科学 2017年 357年 6348年 310年 314年 10.1126 / science.aak9607 2 - s2.0 - 85025478458 28729512 Triantafyllou m . S。 有酒味的 N。 Trakht Y。 Elhassid R。 还 D。 仿生设计的背鳍水下机器人增强可操作性 生物灵感和仿生学 2020年 15 3,第035003条 10.1088 / 1748 - 3190 / ab6708 31896095 温赖特 d·K。 兰黛 g . V。 金枪鱼作为一种高性能鱼平台激发下一代智能水下机器人 生物灵感和仿生学 2020年 15 1 34 伯纳尔 D。 迪克森 k。 Shadwick r·E。 格雷厄姆 j·B。 点评:分析进化收敛的高性能游泳lamnid鲨鱼和金枪鱼 比较生物化学和生理学。的一部分,分子和综合生理学 2001年 129年 2 - 3 695年 726年 10.1016 / s1095 - 6433 (01) 00333 - 6 2 - s2.0 - 0034969276 马迪根 d . J。 鲍曼 Z。 卡莱尔 答:B。 霍恩 d·K。 Popp来说 b . N。 杜瓦 H。 史诺德 o . E。 块 b。 费雪 n S。 重建越洋迁徙模式使用化学示踪工具箱太平洋蓝鳍金枪鱼 生态 2014年 95年 6 1674年 1683年 10.1890 / 13 - 1467.1 2 - s2.0 - 84903523763 25039231 沃尔夫冈 m·J。 Triantafyllou m . S。 悦 d . k . P。 可视化柔性复杂的近身运输过程的推进 《可视化 1999年 2 2 143年 151年 10.1007 / BF03181517 2 - s2.0 - 0033259670 Takagia T。 Tamuraa Y。 魏斯 D。 流体动力学和节能游泳技术的太平洋蓝鳍金枪鱼 理论生物学杂志》上 336年 158年 172年 10.1016 / j.jtbi.2013.07.018 2 - s2.0 - 84883182946 23907027 Feilich k . L。 兰黛 g . V。 被动机械鱼尾鳍:模型自航形状和刚度的影响 生物灵感和仿生学 2015年 10 1 12 雪 G。 刘 y . J。 张 M。 丁 H。 数值分析的流体力学仿生振荡水翼基于面板的方法 应用仿生学和生物力学 2016年 2016年 11 10.1155 / 2016/6909745 2 - s2.0 - 84984704674 6909745 帮派 X。 宿州农村 l 胖子 年代。 一帆 X。 “凤翔 G。 Zhitong l 流体场的演化规律和水动力作用在鱼模型从开始巡航 计算流体力学的工程应用 2020年 14 1 580年 592年 10.1080 / 19942060.2020.1734095 王 J。 温赖特 d·K。 Lindengren r·E。 兰黛 g . V。 越南盾 H。 金枪鱼运动:小鳍的计算流体动力学分析功能 《英国皇家学会界面 17 165年,20190590条 10.1098 / rsif.2019.0590 32264740 Macias M . M。 Souza i F。 巴西少年 a·c·P。 奥利维拉 t F。 三维粘性尾流在鱼类游泳——CFD研究 力学研究通讯 107年 103547年 10.1016 / j.mechrescom.2020.103547 安德森 j . M。 Chhabra n K。 操纵稳定性能的机器人金枪鱼 综合比较生物学 2002年 42 1 118年 126年 10.1093 /学院/ 42.1.118 21708700 Sefati 年代。 Neveln i D。 罗斯 E。 米切尔 T·r·T。 斯奈德 j·B。 存在 m·A。 《财富》杂志 大肠。 考恩 n . J。 相互对立的力量在运动可以消除可操作性和稳定性之间的权衡 PNAS 2013年 110年 47 18798年 18803年 10.1073 / pnas.1309300110 2 - s2.0 - 84888105112 24191034 黄 Q。 张 D。 锅 G。 的流体力学计算模型建设和分析Rhinoptera是 IEEE访问 2020年 8 30410年 30420年 10.1109 / ACCESS.2020.2970942 陈 l 他 G。 王 D。 张 Z。 三维前进速度耐波性计算使用细/海洋 海洋学报2016 35 ASME国际会议上,离岸和北极工程。卷2:CFD和薇芙 2016年6月19日~ 24日 韩国釜山 杨 C。 黄 f . X。 王 l 王ydF4y2B一个 d . C。 数值模拟高度非线性稳定和不稳定的自由表面流动 流体力学学报,系列B 2011年 23 6 683年 696年 10.1016 / s1001 - 6058 (10) 60166 - 7 2 - s2.0 - 84862919112 Queutey P。 Visonneau M。 一个接口捕捉自由表面流体流动的方法 电脑&液体 2007年 36 9 1481年 1510年 10.1016 / j.compfluid.2006.11.007 2 - s2.0 - 34447642851 NUMECA国际 理论指导好™/海洋8.2 Gazzola M。 范·里斯 w·M。 Koumoutsakos P。 C-start:最佳幼虫鱼的开始 流体力学杂志 2012年 558年 1 14 邓 h . B。 徐 y Q。 陈 D D。 戴 H。 吴 J。 田 f . B。 在数值模拟和飞行的动物游泳 计算力学 2013年 52 6 1221年 1242年 10.1007 / s00466 - 013 - 0875 - 2 2 - s2.0 - 84889887347 Borazjani 我。 Sotiropoulos F。 流体力学的数值调查carangiform游泳和惯性流过渡政权 《实验生物学》杂志上 2008年 211年 10 1541年 1558年 10.1242 / jeb.015644 2 - s2.0 - 46949106196 刘 G。 任 Y。 越南盾 H。 Akanyeti O。 廖 j . C。 兰黛 g . V。 计算分析涡动力学和性能增强由于鱼body-fin和fin-fin交互运动 流体力学杂志 2017年 829年 65年 88年 10.1017 / jfm.2017.533 2 - s2.0 - 85030770024 西达 R。 奥尔特加Ancel 一个。 科瓦克 M。 风和水隧道变形水生微飞行器的测试 接口的焦点 2017年 7 1 1 15