基于CFD的胸-尾鰭協(xié)同推進仿生機器魚水動力學特性分析

摘要：魚類作為高效的游泳動物之一，其前胸鰭和尾鰭協(xié)同推進的運動方式吸引著眾多科學家的關注。為了深入研究魚類的水動力學特性，并借鑒其運動方式，本文基于計算流體力學（CFD）方法，對胸/尾鰭協(xié)同推進的仿生機器魚進行水動力學特性分析。通過建立數(shù)值模型，模擬運動過程中胸/尾鰭的動力學響應，探究胸/尾鰭齊工作時的力學機制和流場分布。研究表明，魚類的前胸鰭和尾鰭之間存在相互耦合的運動方式，通過相互配合工作，能夠更好地實現(xiàn)推進力的產生。同時，胸/尾鰭運動會引起周圍水流的變化，形成復雜的流場分布，這對于魚類的游動效率也起到了一定的積極作用。

1.引言

魚類的游泳方式一直以來都是科學家們關注的熱點之一。在過去的研究過程中，科學家們發(fā)現(xiàn)，魚類通過前胸鰭和尾鰭協(xié)同推進的方式實現(xiàn)高效的游泳。在仿生機器魚的設計中，也借鑒了這種運動方式，以期能夠實現(xiàn)更好的游動效果。

2.數(shù)值模型建立

為了對胸/尾鰭協(xié)同推進的仿生機器魚進行水動力學特性分析，我們基于CFD方法建立了數(shù)值模型。首先，我們參考魚類的骨骼結構和胸/尾鰭的形態(tài)特征，通過三維建模軟件建立了仿真模型。然后，在建立的模型基礎上，通過Navier-Stokes方程和動量方程，利用Fluent進行求解，并考慮有限體積法和標準k-ε湍流模型等物理模型，對胸/尾鰭協(xié)同推進的運動過程進行了數(shù)值模擬。

3.動力學響應分析

通過數(shù)值模擬，我們得到了仿生機器魚胸/尾鰭在不同工況下的動力學響應。在正常游動時，魚類的胸/尾鰭會呈現(xiàn)周期性的來回擺動，通過切水平面的運動產生推進力。我們對這種運動方式進行了分析，并檢測了胸/尾鰭的受力情況。結果顯示，在擺動過程中，胸/尾鰭之間存在明顯的協(xié)同作用，通過相互配合工作，能夠更好地實現(xiàn)推進力的產生。

4.流場分布分析

胸/尾鰭的擺動不僅引起機器魚身體的運動，還會引起周圍水流的變化。為了進一步研究這種變化對于游動效率的影響，我們對模擬結果進行了流場分布分析。研究發(fā)現(xiàn)，在胸/尾鰭工作時，周圍的水流會形成復雜的渦旋結構。這些渦旋在一定程度上降低了阻力，提高了機器魚的推進效率。

5.結論和展望

本文基于CFD方法對胸/尾鰭協(xié)同推進的仿生機器魚進行了水動力學特性分析。研究結果顯示，胸/尾鰭協(xié)同工作的模式能夠更好地實現(xiàn)推進力的產生，并且產生的渦旋結構有助于提高推進效率。然而，在實際應用中，仿生機器魚的設計和優(yōu)化仍面臨許多挑戰(zhàn)。未來的研究可以在仿生機器魚的結構改進和胸/尾鰭的運動控制等方面進行深入探究，以更好地實現(xiàn)仿生機器魚的水動力學性能綜上所述，通過數(shù)值模擬和水動力學特性分析，我們對仿生機器魚的胸/尾鰭協(xié)同推進進行了深入研究。研究結果表明，胸/尾鰭的協(xié)同工作模式能夠有效地產生推進力，并且產生的渦旋結構有助于提高推進效率。然而，當前的仿生機器魚設計和優(yōu)化仍存在