水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展--水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究-

1、文章編號(hào):1002-0446(200204-0304-05水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展I I I-水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究*梁建宏王田苗魏洪興陶偉(北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所北京100083摘要:作為仿生推進(jìn)技術(shù)研究的一個(gè)主要環(huán)節(jié),仿生機(jī)器魚平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究具有重要的意義.本文建立了一套比較系統(tǒng)完整的機(jī)器魚水動(dòng)力學(xué)定性觀察,定量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,并進(jìn)行了速度功率參數(shù)影響測(cè)定實(shí)驗(yàn)、魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和魚體運(yùn)動(dòng)阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn).關(guān)鍵詞:機(jī)器魚;功率測(cè)試;流動(dòng)顯示;阻力測(cè)試中圖分類號(hào):T P24文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:BU N D E R WA T E RR O B O F I S H R E S E A R C H P R

2、O G R E S SI I I-H Y D R O D Y N A MI C SE X P E R I ME N T SO FR O B O F I S HL I A N G J i a n-h o n g WA N G T i a n-m i a o WE I H o n g-x i n g T A O We i(R o b o t i c I n s t i t u t e,U n i v e r s i t yo fA e r o n a u t i c s a n dA s t r o n a u t i c s,B e i j i n g100083A b s t r a c t:

3、A s a m a i np a r t o f t h eB i o n i c p r o p u l s i o nt e c h n o l o g y r e s e a r c h,t h e e x p e r i m e n t a l m e a s u r e m e n t s r e s e a r c ho f r o b o f i s hi s o f g r e a t i m p o r t a n c e.T h i s p a p e r i n t r o d u c e d a w h o l es e t o f e x p e r i m e n

4、t a l i n s t r u m e n t s a n dd e v i c e s f o r q u a l i t a t i v e o b s e r v a t i o na n dq u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t o f h y d r o d y n a m i c s p h e n o m e n ao f t h er o b o f i s h.N o w w eh a v e m a d ea ne x p e r i m e n tt os e eh o w t h ea p p a r a t u

5、sa f f e c tt h es w i m m i n g v e l o c i t y a n d p o w e r,a n o t h e re x p e r i m e n tt od i s p l a y t he v e r t e x c o n t r o l a r o u n d t h er o b of i s h.F i n a l l y w eh a v ea l s o m e a s u r e d t h e d r ag d u r i n g th er o b o fi s hs w i m m i n g.K e y w o r d s:

6、r o b o f i s h,p o w e r m e a s u r e m e n t s,f l o w v i s u a l i z a t i o n,d r a gm e a s u r e m e n t s1引言(I n t r o d u c t i o n對(duì)水生動(dòng)物的流體力學(xué)研究始于二十世紀(jì)六十年代.近年來(lái)隨著仿生學(xué)的發(fā)展,人們對(duì)海洋生物高超的推進(jìn)能力有了新的認(rèn)識(shí),并試圖通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段,解釋魚類獨(dú)具的高效、高機(jī)動(dòng)性的推進(jìn)機(jī)理.1960年L i g h t h i l l率先對(duì)體形瘦長(zhǎng)以鰻鱺模式游動(dòng)的游魚提出了細(xì)長(zhǎng)體模型,得到了定常線性化解1,1961年加州理

7、工大學(xué)的T.Y.W提出了二維波動(dòng)模型,加入了前緣吸力及尾緣尾跡的作用.對(duì)于以魚參科模型和月牙尾推進(jìn)的情形,波狀擺動(dòng)主要集中于后體,而后體段逐漸縮小形成尾柄,然后連接展長(zhǎng)較大的尾鰭,波幅劇烈增大.基于線化理論的解體方法已不能處理,研究主要用實(shí)驗(yàn)方法.典型的工作是M I T的T r a i n t a f y l l o w等有關(guān)水翼(二維翼剖面作的擺動(dòng)的實(shí)驗(yàn)3,表明在一定的頻率、振幅等參數(shù)組合下,推進(jìn)效率可以接近90%;他們還用物體在擺動(dòng)水翼前產(chǎn)生尾渦以模擬魚身的尾跡,表明了擺動(dòng)尾鰭可利用這些旋渦,進(jìn)一步提高推力和推進(jìn)效率,使得人們對(duì)魚類的高效推進(jìn)機(jī)理的認(rèn)識(shí)提高了一大步.對(duì)于急劇激動(dòng),如爆發(fā)啟動(dòng)

8、、快速轉(zhuǎn)彎的魚類,也有了一些研究.Wo l f g a n g等人1999年用D P I V方法的流動(dòng)顯示方法,顯示了產(chǎn)生快速機(jī)動(dòng)時(shí)伴隨有體渦與尾鰭的相互作用2.1996年M I T的B a r r e t t等對(duì)擺動(dòng)魚體的減阻進(jìn)行了研究,他們對(duì)自行研制的一條實(shí)驗(yàn)用的6自由度仿生機(jī)器魚在水槽中進(jìn)行了拖曳實(shí)驗(yàn)4,5.測(cè)試了阻力降低的效果對(duì)于五個(gè)參數(shù)(即相位角,波長(zhǎng),沖第24卷第4期2002年7月機(jī)器人R O B O T V o l.24,N o.4J u l y,2002*基金項(xiàng)目:中國(guó)科學(xué)院機(jī)器人學(xué)開放研究實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目.收稿日期:2001-09-04擊角,尾跡寬度,S t r o u h

9、 a l 數(shù)的變化所受的影響,證明阻力降低對(duì)兩個(gè)因素敏感,一個(gè)是身體的波動(dòng)速度要超過運(yùn)動(dòng)速度U ;另一個(gè)是S t r o u h a l數(shù)只能在一定范圍內(nèi)(0.12-0.35運(yùn)動(dòng).在一定條件下,阻力最大可以降低約70%.他們同時(shí)運(yùn)用數(shù)字仿真對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了仿真.這次實(shí)驗(yàn)得到的許多有用結(jié)果對(duì)于魚體游動(dòng)機(jī)理的實(shí)驗(yàn)和理論研究有著非常重要的意義.為了研制高速、高效和高機(jī)動(dòng)的微小機(jī)器魚,還有許多工作要做.例如,上述有關(guān)水翼高效推進(jìn)的工作中,考慮的是二維剖面,其可代表大展弦比尾鰭,卻未計(jì)及"月牙形"的作用;再如,快速機(jī)動(dòng)問題的研究中,雖然揭示了快速轉(zhuǎn)彎和漩渦產(chǎn)生有關(guān)聯(lián),但解釋都是定性的.此

10、外運(yùn)動(dòng)魚的復(fù)雜三維非定常流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)室定量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)仍存在不少技術(shù)難點(diǎn),仍被認(rèn)為是一種很大挑戰(zhàn)性的問題.作為仿生推進(jìn)機(jī)理研究的一個(gè)主要環(huán)節(jié),仿生機(jī)器魚的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究具有重要的意義,目前國(guó)內(nèi)尚未開展這方面的工作.本文針對(duì)最近研制的小型機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái),建立了一套比較系統(tǒng)完整的機(jī)器魚水動(dòng)力學(xué)定性觀察,定量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,并進(jìn)行了速度功率參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)、魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)和魚體運(yùn)動(dòng)阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn).速度功率參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)通過測(cè)量仿生機(jī)器魚在不同的游動(dòng)參數(shù),如相對(duì)波長(zhǎng)、頻率、擺動(dòng)幅度情況下的游動(dòng)速度和消耗的功率,評(píng)價(jià)上述方程參數(shù)對(duì)于游動(dòng)性能的影響;魚體流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)則通過觀察仿生機(jī)器魚在不同擺動(dòng)頻率和振幅狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)流

11、場(chǎng),觀察水流的漩渦分離,獲取魚的擺動(dòng)推進(jìn)深層次機(jī)理;阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)通過測(cè)定魚體靜態(tài)時(shí)在不同水流速度下的阻力,以評(píng)估魚體游動(dòng)在不同參數(shù)的影響下游動(dòng)的效率.2速度功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)(P o w e ra n dv e l o c i t ym e a -s u r e m e n t s2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)在北京航空航天大學(xué)水洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.該水洞為低速水洞,速度范圍0.11米/秒,工作截面1×1.2米,是循環(huán)封閉式水洞.整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由機(jī)器魚實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.如圖1 所示.水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究2.2.1同頻率變相對(duì)波長(zhǎng)魚體5自由度穩(wěn)定運(yùn)行的各擺動(dòng)方程中,當(dāng)振幅和頻率保持不變時(shí),速

12、度和功率數(shù)值隨著身體的相對(duì)波長(zhǎng)的增加而加大,其中速度數(shù)值還近似與相對(duì)波長(zhǎng)成正比例增長(zhǎng).圖2和圖3是相對(duì)波長(zhǎng)為0.25-1的各方程中頻率為1.462赫茲時(shí)(此種頻率下魚體運(yùn)行非常穩(wěn)定,不會(huì)出現(xiàn)側(cè)向的晃動(dòng)的速度和 功率隨相對(duì)波長(zhǎng)改變的曲線 .月3.1實(shí)驗(yàn)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)裝置由八線張線系統(tǒng)、C C D相機(jī)、攝像機(jī)和軟件處理平臺(tái)組成.其中攝像機(jī)可用于動(dòng)態(tài)記錄流場(chǎng),同時(shí)作為攝像采集處理平臺(tái)的攝像頭.實(shí)驗(yàn)機(jī)器魚由八根張線固定在水洞中,實(shí)驗(yàn)段長(zhǎng)度大約1.8米,實(shí)驗(yàn)寬度0.9米,實(shí)驗(yàn)深度1.2米.魚體在水下大約0.4米.通過內(nèi)部張線支撐裝置將魚體頭部固定在一個(gè)靠自重穩(wěn)定的鋼架上.中段是一個(gè)上部帶孔的密封腔,它主要起連

13、接作用,連接頭部和后部擺動(dòng)部分,上部的孔用于引出后部的天線和電源線.魚體在水中基本可以保持浮力和重力的平衡,調(diào)整張線,可以使魚的軸線和來(lái)流方向平行.魚體后部在水中自由擺動(dòng).3.2實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄實(shí)驗(yàn)得到大量漩渦形成和演變的連續(xù)圖像(圖7,從宏觀上看,尾鰭拍動(dòng)產(chǎn)生了反卡門漩渦序列,漩渦是在尾鰭前緣卷起生成的,并在每次反向拍動(dòng)時(shí)脫落,一個(gè)周期形成一對(duì)旋向相反的漩渦.這些現(xiàn)象與國(guó)外研究的結(jié)果類似.進(jìn)一步的分析目前還在進(jìn)行中.圖6魚體由八根張線固定在剛架上F i g.6R o b o f i s hf i x e db ye i g h t l i n e i ns t e e l f r a m e圖7

14、尾部漩渦的脫落過程F i g.7F a l l i n go f f p r o c e s s o f t a i l v o r t e x3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析尾鰭后部形成了反卡門漩渦陣列,一對(duì)方向相反的漩渦與推力產(chǎn)生有著重要的關(guān)系.在實(shí)驗(yàn)中,我們特別注意到了前緣漩渦.以往的研究多是建立在分析二維脫落渦街的基礎(chǔ)上,認(rèn)為推動(dòng)魚體前進(jìn)的主要是漩渦的合成或耦合.而我們?cè)谶@次觀察中發(fā)現(xiàn)魚尾鰭在擺動(dòng)時(shí)主要是前緣的渦在起作用,在尾鰭的拍動(dòng)中,前緣卷起很強(qiáng)的錐形渦,并穩(wěn)定的附著在尾鰭表面,從而可能提供了很高的升力.渦的三維特性十分明顯,需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)手段和分析方法才能進(jìn)行精確觀測(cè)和分析.4阻力測(cè)定實(shí)驗(yàn)(

15、R e s i s t a n c e m e a s u r e m e n t s我們使用了水洞的實(shí)驗(yàn)裝置-三分力天平.三分力天平是個(gè)磁感應(yīng)天平,通過改變兩個(gè)磁極之間的間隙,從而改變磁場(chǎng)來(lái)測(cè)定力.感應(yīng)天平每個(gè)方向由一個(gè)活動(dòng)板通過彈簧片和支架相連.支架固定不動(dòng).當(dāng)活動(dòng)板受力時(shí),活動(dòng)板前端的磁極位置就會(huì)73第24卷第4期梁建宏等:水下仿生機(jī)器魚的研究進(jìn)展I I I - 水動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究改變,而改變的位移和受力的規(guī)律與后部的彈簧鋼片的撓度有關(guān).基本上是線性關(guān)系.位移的改變可以通過與活動(dòng)片固連的磁極的改變來(lái)測(cè)定.通過一個(gè)平衡電橋?qū)⑤敵鲭妷簜鞯接?jì)算機(jī)的采集卡,采集入計(jì)算機(jī),然后通過一套計(jì)算軟件,計(jì)算出某一特定電壓對(duì)應(yīng)的阻力.由于磁極位移改變?cè)斐汕岸擞幸粋€(gè)V 形槽,通過一個(gè)夾板把魚體的天線固定在天平的