哈尔滨工程大学硕士学位论文 1.2.1仿鱼推进理论研究现状 当前水下仿生推进理论研究热点主要集中在仿鱼摆动法推进技术上，并 已取得很好的研究成果，仿鱼摆动法推进机理研究可归纳为流体力学模型建 立、生物力学分析和非定常流实验研究等三个方面。 J.L.Lighthill提出“细长体理论”(slender--body theory),分析了形体细长 鱼类实现高效率推进时的尾鳍运动参数和几何参数条件)]，基于动力学平均 推力提出分析鳗鲡和鲹科推进方式的“细长体理论川(elongated-.body theory), 基于鱼类规则和不规则运动研究提出了“大幅值细长体理论”(large-amplitude elongated-body theory)。T.Y.Wu提出“二维波板理论”，将鱼体简化为弹 性波形板模型，模型中计入了惯性作用、前缘吸力和尾迹展向涡等流体作用， 得到二维非定常线性解析解，将空气动力学中变形机翼研究方法应用在二维 弹性波形板的推进研究上[向，用线性化无粘流理论分析了无粘流环境中二维 弹性波形板的变速游动刀、形状优化8]和运动优化问题9。M.Triantafyllou通 过鱼游流动显示中观测到鱼体腹、背边缘处存在复杂的三维流动，证实了三 维波动板理论的真实性。童秉纲等研究大雷诺数下鱼类摆动推进流体力学 模型，提出三维波动板理论及其应用于鳗鲡模式、鲹科模式和月牙尾推进等 三类游鱼的形态适应分析门，模型中在考虑惯性作用、前缘吸力和尾迹展向 涡之外，还分析了流向涡和展向涡的作用☑，不足的是该模型线性理论不能反 映大振幅情况。M.G.Chopra基于三维小幅值方法分析了矩形尾鳍I),提出了 适用于月牙形尾鳍的二维大幅值理论1)，用三维非定常升力面法计算多种形 状尾鳍性能的。Liu等在不需要提炼模型的情况下，基于Navier-Stokes方程 直接求解了蚪游动，其计算结果有利于了解流动的细节，但因数学分析的 复杂性使得很难用于鱼类生物力学其他分支。 以上理论和研究方法为水翼法推进机理研究和流体力学实验研究提供了 理论基础。 生物力学分析主要是针对鱼类游动特征，研究影响鱼类运动特性的生物 2
哈尔滨工程大学硕士学位论文 1．2．1仿鱼推进理论研究现状 当前水下仿生推进理论研究热点主要集中在仿鱼摆动法推进技术上，并 已取得很好的研究成果，仿鱼摆动法推进机理研究可归纳为流体力学模型建 立、生物力学分析和非定常流实验研究等三个方面。 J．L．Lighthill提出“细长体理论”(slender．body theory)，分析了形体细长 鱼类实现高效率推进时的尾鳍运动参数和几何参数条件【3】，基于动力学平均 推力提出分析鳗鲡和鳕科推进方式的“细长体理论”【41(elongated-body theory)， 基于鱼类规则和不规则运动研究提出了“大幅值细长体理论”(1arge．amplitude elongated．body theory)t51。T．Y．Wu提出“二维波板理论”，将鱼体简化为弹 性波形板模型，模型中计入了惯性作用、前缘吸力和尾迹展向涡等流体作用， 得到二维非定常线性解析解，将空气动力学中变形机翼研究方法应用在二维 弹性波形板的推进研究上[6】，用线性化无粘流理论分析了无粘流环境中二维 弹性波形板的变速游动【71、形状优化【81和运动优化问趔91。M．Triantafyllou通 过鱼游流动显示中观测到鱼体腹、背边缘处存在复杂的三维流动，证实了三 维波动板理论的真实性【l 01。童秉纲等研究大雷诺数下鱼类摆动推进流体力学 模型，提出三维波动板理论及其应用于鳗鲡模式、鳕科模式和月牙尾推进等 三类游鱼的形态适应分析[1¨，模型中在考虑惯性作用、前缘吸力和尾迹展向 涡之外，还分析了流向涡和展向涡的作用[12】，不足的是该模型线性理论不能反 映大振幅情况。M．G．Chopra基于三维小幅值方法分析了矩形尾鳍【13】，提出了 适用于月牙形尾鳍的二维大幅值理论[14】，用三维非定常升力面法计算多种形 状尾鳍性能【15】。Liu等在不需要提炼模型的情况下，基于Navier—Stokes方程 直接求解了蝌蚪游动，其计算结果有利于了解流动的细节，但因数学分析的 复杂性使得很难用于鱼类生物力学其他分支。 以上理论和研究方法为水翼法推进机理研究和流体力学实验研究提供了 理论基础。 生物力学分析主要是针对鱼类游动特征，研究影响鱼类运动特性的生物 2
哈尔滨工程大学硕士学位论文 力学机理。童秉纲基于人工压缩方法求解不可压缩二维Navier-Stokes方程， 数值模拟探讨转弯机理)，从生物原型角度剖析鱼类游动，从动力学角度初 步解释了鱼类游动机理门。成巍等基于面元法计算分析金枪鱼月牙形尾鳍非 定常水动力性能，研究鱼类高速游动机理8。C.E.Ln基于非定常涡格法 作 (unstead quasi-vortex lattice method)计算三维刚性矩形和箭头形翼ly),p.Liu 基于时域面元法估算非定常三维柔性摆动翼推进性能20。程健宇以鲫鱼三维 气 波动板理论为基础研究了鱼类游动的流一固耦合及整体模化等交叉问题，发 现弯矩波的波速与鱼体曲率（肌肉运动）的波速相差较大，将鱼体简化成一根 柔性梁，在考虑肌肉收缩弯矩和流体载荷引起的弯矩外，引入生物组织的力 学效可使弯矩满足动力学方程21,2。敬军等研究了两种鲫鱼和黄颡鱼的C型 启动过程，动力学角度可分为尾鳍快速大幅摆向一侧时鱼体绕质心快速转动 和尾鳍摆向另一侧时鱼体沿直线前行两个阶段2)。胡文蓉等对白斑狗鱼的S 形起动问题进行了数值分析，发现尾鳍在第一周期摆幅达到最大，产生最大 推力，获得大的加速度，但在第二周期平均推力与功率之比达到最大24；同 时运用二维Navier-Stokes方程对欧洲鳗运动学数据进行数值模拟，研究了其 前游和倒游的流体动力性能区别及形念适应问题2。 非定常流实验研究主要研究流场的定性和定量显示及测量、减阻机制、 非定常流控制等方面的内容，为流体力学模型和生物力学分析提供实验支撑。 M J Wolfgang利用数字颗粒影像测速仪(DPIV)构建了用于研究鱼类游动 流场显示及三维流场定量测量的实验装置，通过氩离子照射下的粒子显示， 分析鱼类游动流场2。XLi等通过DPIV显示，研究了金鱼尾鳍的尾流场27。 凭 Anderson等通过DPIV实验，研究涡流控制推进方式28，观测了Giant Danio 的游动情况，确定涡流在其游动过程中起着重要作用，直线游动时，可以观 察到反卡门涡街形成的喷流现象，进行了类似鱼尾摆动运动的刚性翼推进性 能实验及摆动翼和来流交互作用实验，实验结果表明涡流控制方式可以在保 证较高效率时提供较高推力ッ。涡流控制就是通过外界激励，使涡流场改善 结构，达到提高运动物体流体动力性能的目的，实验结果表明当满足沉浮振 3
哈尔滨工程大学硕士学位论文 力学机理。童秉纲基于人工压缩方法求解不可压缩二维Navier．Stokes方程， 数值模拟探讨转弯机理【l 61，从生物原型角度剖析鱼类游动，从动力学角度初 步解释了鱼类游动机理【17】。成巍等基于面元法计算分析金枪鱼月牙形尾鳍非 定常水动力性能，研究鱼类高速游动机理【1 81。C．E．Lan基于非定常涡格法 (unstead quasi．vortex lattice method)壬t算三维刚性矩形和箭头形翼【19】，P．Liu 基于时域面元法估算非定常三维柔性摆动翼推进性能【2训。程健宇以鲫鱼三维 波动板理论为基础研究了鱼类游动的流一固耦合及整体模化等交叉问题，发 现弯矩波的波速与鱼体曲率(肌肉运动)的波速相差较大，将鱼体简化成一根 柔性梁，在考虑肌肉收缩弯矩和流体载荷引起的弯矩外，引入生物组织的力 学效可使弯矩满足动力学方程[21,22】。敬军等研究了两种鲫鱼和黄颡鱼的C型 启动过程，动力学角度可分为尾鳍快速大幅摆向一侧时鱼体绕质心快速转动 和尾鳍摆向另一侧时鱼体沿直线前行两个阶段【731。胡文蓉等对白斑狗鱼的S 形起动问题进行了数值分析，发现尾鳍在第一周期摆幅达到最大，产生最大 推力，获得大的加速度，但在第二周期平均推力与功率之比达到最大【24]g同 时运用二维Navier．Stokes方程对欧洲鳗运动学数据进行数值模拟，研究了其 Iji『游和倒游的流体动力性能区别及形态适应问题[25|。 非定常流实验研究主要研究流场的定性和定量显示及测量、减阻机制、 非定常流控制等方面的内容，为流体力学模型和生物力学分析提供实验支撑。 M J Wolfgang利用数字颗粒影像测速仪(DPIV)构建了用于研究鱼类游动 流场显示及三维流场定量测量的实验装置，通过氩离子照射下的粒子显示， 分析鱼类游动流场【26】。X Li等通过DPIV显示，研究了金鱼尾鳍的尾流场【27】。 Anderson等通过DPIV实验，研究涡流控制推进方式【2 8|，观测了Giant Danio 的游动情况，确定涡流在其游动过程中起着重要作用，直线游动时，可以观 察到反卡门涡街形成的喷流现象，进行了类似鱼尾摆动运动的刚性翼推进性 能实验及摆动翼和来流交互作用实验，实验结果表明涡流控制方式可以在保 证较高效率时提供较高推力【291。涡流控制就是通过外界激励，使涡流场改善 结构，达到提高运动物体流体动力性能的目的，实验结果表明当满足沉浮振
哈尔滨T程大学硕士学位论文 幅接近于翼展长度、沉浮引起的水流偏角与翼弦长度之比约为20°和斯德哈 尔数正好对应于尾迹出现反卡门涡街时，鱼类推进效率较高0。M. Triantafyllou就斯德哈尔数进行了理论分析，对反卡门涡街时均流场做线性稳 定性分析，得出斯德哈尔数在0.25至0.35之间时，流场线性稳定性较高30。 Gray就鱼类减阻机制提出Gray疑题，海豚自身柔性变形能降低减其游动时 的阻力，刚性海豚模型以20节速度游动时所耗能为海豚的七倍。李学敏等在 水洞中用染色法显示了活鲫鱼的尾迹流场，在尾迹对称面上清楚地拍摄到反 卡门涡街，通过同步和延时系统，拍摄到鱼类推进尾迹的速度场和涡流场动 画图像，并通过不同截面速度测量，得出鱼雷推进尾迹的三维涡环链模型3川。 以上流体力学实验的研究方法和实验分析结果水翼法推进机理研究提供 了参考。 1.2.2仿翼运动理论研究现状 仿翼运动理论研究可归纳为扑翼气动理论分析和扑翼非定常流场实验研 究两个方面。 早期扑翼运动理论研究主要从鸟类或者昆虫的翅膀结构和翼态两个方面 进行，随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic简称CFD)技术的 发展，基于面元法开展机理研究，Smith.M.J.C应用三维非定常面元法分析昆 虫飞行状态下的空气动力学，主要研究了翼柔性效应32。基于Navier-Stokes 方程的计算机求解，分析扑翼流场分布，理论研究中充分考虑扑翼流场的粘 性影啊，Tuncer..I.H等对两自由度翼型进行动态失速研究，讨论了两自由度 下流场对翼振颤的影响3)。Syy.W等研究了低雷诺数下扑翼运动和柔性对 飞行的影响B4。Amamurti.R等基于非结构化网格有限元解算器模拟两自由度 扑翼运动的非定常流场B]。美国Cornell University研究了空气中昆虫的拍翼 模型，数值分析结果表明二维拍翼模型产生的气动力优于三维模型3。英国 Cranfield University就拍翼模型提出用桨元理论建立扑翼的气动模型，对扑翼 运动形态与产生的气动力进行了分析3刀。章秉纲等提出了以理论模化方法对
哈尔滨T程大学硕士学位论文 幅接近于翼展长度、沉浮引起的水流偏角与翼弦长度之比约为20。和斯德哈 尔数正好对应于尾迹出现反卡门涡街时，鱼类推进效率较高【l o】。M． Triantafyllou就斯德哈尔数进行了理论分析，对反卡门涡街时均流场做线性稳 定性分析，得出斯德哈尔数在0．25至O．35之间时，流场线性稳定性较高【3们。 Gray就鱼类减阻机制提出Gray疑题，海豚自身柔性变形能降低减其游动时 的阻力，刚性海豚模型以20节速度游动时所耗能为海豚的七倍。李学敏等在 水洞中用染色法显示了活鲫鱼的尾迹流场，在尾迹对称面上清楚地拍摄到反 卡门涡街，通过同步和延时系统，拍摄到鱼类推进尾迹的速度场和涡流场动 画图像，并通过不同截面速度测量，得出鱼雷推进尾迹的三维涡环链模型【311。 以上流体力学实验的研究方法和实验分析结果水翼法推进机理研究提供 了参考。 1．2．2仿翼运动理论研究现状 仿翼运动理论研究可归纳为扑翼气动理论分析和扑翼非定常流场实验研 究两个方面。 早期扑翼运动理论研究主要从鸟类或者昆虫的翅膀结构和翼态两个方面 进行，随着计算流体动力学(Computational Fluid Dynamic简称CFD)技术的 发展，基于面元法开展机理研究，Smith．M．J．C应用三维非定常面元法分析昆 虫飞行状态下的空气动力学，主要研究了翼柔性效应【321。基于Navier-Stokes 方程的计算机求解，分析扑翼流场分布，理论研究中充分考虑扑翼流场的粘 性影响，Tuncer．I．H等对两自由度翼型进行动态失速研究，讨论了两自由度 下流场对翼振颤的影响【33】。Shyy．W等研究了低雷诺数下扑翼运动和柔性对 飞行的影响【341。Amamurti．R等基于非结构化网格有限元解算器模拟两自由度 扑翼运动的非定常流场【35】。美国Comell University研究了空气中昆虫的拍翼 模型，数值分析结果表明二维拍翼模型产生的气动力优于三维模型【36|。英国 Cranfield University就拍翼模型提出用桨元理论建立扑翼的气动模型，对扑翼 运动形态与产生的气动力进行了分析‘371。章秉纲等提出了以理论模化方法对 4
哈尔滨T程大学硕士学位论文 昆虫飞行和鱼类游动进行生物外部流体力学研究38)。孙茂等基于N-S方程研 究昆虫扑翼飞行的高升力机理和能耗问题3叨。德国Neef通过求解欧拉方程分 析了扑翼的三维流场4o。刘浩等基于三维非定常Navier-Stokes方程，对鹰蛾 悬停飞行作数值模拟，对动态失速的演化和非定常力作用过程作了分析。 余永亮等构建了用于理论模化小型昆虫拍翼过程的解析途径，研究了不同前 飞速度下拍动面倾角变化、动作时间比变化以及攻角变化对气动力和所需功 率的变化规律2。对于昆虫翼柔性变形效应，Wootton指出，昆虫翼在拍动 周期内半自动地变形，使其气动力得到优化3]。Combes和Daniel对鹰蛾翼 做了被动弹性变形实验，发现气动力对翼变形作用很小。 求解Navier-Stokes方程的方法无需假设涡的分布，比解析法和面元法严 格的多，但是Navier-Stokes方程的解对边界条件很敏感，边界条件略有偏差， 结果差别很大，而当前很难给出严格的非定常边界条件，求解完全 Navier-Stokes方程的计算工作量很大，简化流场容易引起较大计算误差。对 于三维非定常流动研究方法大致可分为叶素法、升力线法、面元法，三者对 于流场的假设不一致，其研究结果的可靠性还有待于进一步研究，虽然面元 法可以考虑翼型厚度的影响，并去掉尾流区无限薄的假设，但涡的奇点分布 仍然使涡的影响局限于翼面附近和尾流区很小区域内。 扑翼非定常流场实验研究包括流场显示和气动力测量两个内容。曾理江 等作了大量的昆虫飞行光测实验，研究了昆虫扑翼的运动参数，分析扑翼频 率、振幅等参数的力学规律4，进行了蜻蜓翼构型动态测量，研究其结构模 型和力学功能6。Ellington等研制了雷诺数与鹰蛾相同的扇翅模型4忉，研究 扇翅周围漩涡，认为前缘涡不脱落是昆虫翼产生高升力的机制之一。Fy等 测出了果蝇急速转弯过程中左、右翼运动不对称的系列运动学数据，并移至 ◆ 果蝇的智能模型实验中去进行测力，发现转弯过程中，惯性力大于摩擦力4。 杨基明等研制了模拟昆虫拍翅运动的二维和三维拍翅模型实验装置，可以通 过调节多个运动参数实现复杂的组合运动，研制了2D-DPV和相关处理软 件，能够定量提供连续多幅速度场分布数据49)。 5
一S方程研 究昆虫扑翼飞行的高升力机理和能耗问题【391。德国Neef通过求解欧拉方程分 析了扑翼的三维流场【401。刘浩等基于三维非定常Navier．Stokes方程，对鹰蛾 悬停飞行作数值模拟，对动态失速的演化和非定常力作用过程作了分析【4¨。 余永亮等构建了用于理论模化小型昆虫拍翼过程的解析途径，研究了不同前 飞速度下拍动面倾角变化、动作时间比变化以及攻角变化对气动力和所需功 率的变化规律[421。对于昆虫翼柔性变形效应，Wootton指出，昆虫翼在拍动 周期内半自动地变形，使其气动力得到优化【431。Combes和Daniel对鹰蛾翼 做了被动弹性变形实验，发现气动力对翼变形作用很小Ⅲ】。 求解Navier-Stokes方程的方法无需假设涡的分布，比解析法和面元法严 格的多，但是Navier．Stokes方程的解对边界条件很敏感，边界条件略有偏差， 结果差别很大，而当前很难给出严格的非定常边界条件，求解完全 Navier．Stokes方程的计算工作量很大，简化流场容易引起较大计算误差。对 于三维非定常流动研究方法大致可分为叶素法、升力线法、面元法，三者对 于流场的假设不一致，其研究结果的可靠性还有待于进一步研究，虽然面元 法可以考虑翼型厚度的影响，并去掉尾流区无限薄的假设，但涡的奇点分布 仍然使涡的影响局限于翼面附近和尾流区很小区域内。 扑翼非定常流场实验研究包括流场显示和气动力测量两个内容。曾理江 等作了大量的昆虫飞行光测实验，研究了昆虫扑翼的运动参数，分析扑翼频 率、振幅等参数的力学规律【451，进行了蜻蜓翼构型动态测量，研究其结构模 型和力学功能【461。Ellington等研制了雷诺数与鹰蛾相同的扇翅模型【4 71，研究 扇翅周围漩涡，认为前缘涡不脱落是昆虫翼产生高升力的机制之一。Fry等 测出了果蝇急速转弯过程中左、右翼运动不对称的系列运动学数据，并移至 果蝇的智能模型实验中去进行测力，发现转弯过程中，惯性力大于摩擦力【4引。 杨基明等研制了模拟昆虫拍翅运动的二维和三维拍翅模型实验装置，可以通 过调节多个运动参数实现复杂的组合运动，研制了2D．DPIV和相关处理软 件，能够定量提供连续多幅速度场分布数据【491
哈尔滨程人学硕十学位论文 水下仿鱼推进和仿翼运动的理论研究从模型分析、非定常流控制、流体 力作用机制、生物原型运动特征分析、运动机理实验研究等方面为水翼法推 进机理研究提供了很好的参考。 1.3水下仿生机器人研究现状 水下仿生机器人载体技术研究为仿生机理研究提供实验平台，也为仿生 推进技术研究提供技术载体。从水下仿生机器人载体技术方面综述水下仿生 机器人的研究现状。 英格兰埃塞克斯大学华裔教授胡霍胜和他的机器人小组研制的先进新颖 的自控机器鱼，它的尺寸不足50mm,下潜深度大于3m,如图1.1所示。该 机器鱼尾部结构设计独特，仅用一台伺服电动机驱动C型尾部游动，采用此 结构的目的是使机器鱼能在三维空间灵活游动，可自主导航50，并搭建了一 个多仿生协调控制系统实验平台来研究多放生机器鱼的协调控制策略，对于 处理在特定的水下环境中的同步和协调推进问题，采用了模糊逻辑方法对机 器鱼的运动进行规划。出两条机器鱼所完成的箱体推进实验结果验证了所提 出方法的有效性51。 图1.1英国研制的机器鱼 图1.2UPF-2001 National Marine Research Institute研制了多种类型的机器鱼，用以研究鱼 类游动的不同特性，包括用以研究仿鱼机构基本推进特性的P℉-600、用以研 究鱼类高效转弯特性的P℉-300、用以研究高航速特性的P℉-700和用以研究 机动性能的P℉550，在驱动机构的多样性方面取得进展，其中包括用以研究 机动性能的UP℉-2001，如图1.2所示。它是一种高性能综合实验平台，可以
哈尔滨工程人学硕十学位论文 水下仿鱼推进和仿翼运动的理论研究从模型分析、非定常流控制、流体 力作用机制、生物原型运动特征分析、运动机理实验研究等方面为水翼法推 进机理研究提供了很好的参考。 1．3水下仿生机器人研究现状 水下仿生机器人载体技术研究为仿生机理研究提供实验平台，也为仿生 推进技术研究提供技术载体。从水下仿生机器人载体技术方面综述水下仿生 机器人的研究现状。 英格兰埃塞克斯大学华裔教授胡霍胜和他的机器人小组研制的先进新颖 的自控机器鱼，它的尺寸不足50mm，下潜深度大于3m，如图1．1所示。该 机器鱼尾部结构设计独特，仅用一台伺服电动机驱动C型尾部游动，采用此 结构的目的是使机器鱼能在三维空间灵活游动，可自主导航[501，并搭建了一 个多仿生协调控制系统实验平台来研究多放生机器鱼的协调控制策略，对于 处理在特定的水下环境中的同步和协调推进问题，采用了模糊逻辑方法对机 器鱼的运动进行规划。由两条机器鱼所完成的箱体推进实验结果验证了所提 出方法的有效性【5l】。 图1．1英国研制的机器鱼 图1．2 UPF．2001 National Marine Research Institute研制了多种类型的机器鱼，用以研究鱼 类游动的不同特性，包括用以研究仿鱼机构基本推进特性的PF一600、用以研 究鱼类高效转弯特性的PF．300、用以研究高航速特性的PF．700和用以研究 机动性能的PF．550，在驱动机构的多样性方面取得进展，其中包括用以研究 机动性能的UPF．2001，如图1．2所示。它是一种高性能综合实验平台，可以 6