基于双向流固耦合仿真的新月形尾鳍水动力学特性研究

葛飞飞， 沈 灿， 谢 鸥

（苏州科技大学 机械工程学院， 江苏 苏州 215009）

随着地球上陆地资源逐渐枯竭，人类对海洋资源的开发已经迫在眉睫。 在复杂的海洋流场环境下，传统的螺旋桨推进水下机器人的稳定性和工作效率都不高，各种推进效率高的仿生机器鱼成为研究人员的重点研发对象[1-3]。

根据鱼类的外形特征和游动方式不同，可将鱼类分为两种：身体/尾鳍（BCF）推进模式和中央鳍/对鳍（MPF）推进模式[4-5]。 自然界中约80%的鱼类采用BCF 推进模式，其具有游动速度快、推进效率高等特点，目前已成为研究者进行仿生工程研究的重要对象。 BCF 推进模式主要依靠鱼体的后半部分和尾鳍摆动产生推进力，尾鳍在鱼类推进过程中发挥着重要作用。

研究表明鱼类尾鳍的刚度、形状和摆动相位等会对其水动力参数产生显著影响。 王志东等[6]通过数值计算，研究了金枪鱼游动及其尾鳍摆动的二维模型，讨论了刚性和柔性尾鳍的不同水动力性能。 Luo 等[7-8]提出一种双向流固求解器对刚度非均匀分布的尾鳍进行了仿真分析，结果表明刚度非均匀分布的尾鳍能有效模拟真实鱼类的尾鳍变形特征。 章永华等[9-10]利用计算流体动力学原理，给出了尾鳍表面压力分布和无量纲阻力系数变化情况，结合尾鳍不同切面涡结构，揭示了通过在尾鳍表面设置漏空区域调节推进力的规律。

本文旨在研究新月形仿生机器鱼尾鳍的结构参数和运动参数对其水动力参数的影响。 基于双向流固耦合仿真技术，建立了新月形仿生机器鱼尾鳍摆动模型，重点讨论了新月形尾鳍在不同运动参数、不同刚度、不同厚度以及不同面积下的水动力学特性，为仿生机器鱼尾鳍设计提供指导。……