基于直線型內(nèi)擺線尾鰭擺進(jìn)裝置自主推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)研究

王淑妍,丁 進(jìn),陳 星,王新國(guó),唐文獻(xiàn),張 建

(1.江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212003)(2.江蘇科技大學(xué) 江蘇省船海機(jī)械裝備先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,鎮(zhèn)江 212003)

近年來(lái),受海洋生物推進(jìn)機(jī)理的啟發(fā),國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)發(fā)了機(jī)械式、壓電式、功能材料等多種仿生水下推進(jìn)裝置的樣機(jī),樣機(jī)性能的驗(yàn)證及提高直接受實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的制約．因此針對(duì)開(kāi)發(fā)樣機(jī)的特點(diǎn),開(kāi)展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開(kāi)展具有針對(duì)性的樣機(jī)推進(jìn)性能實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)提高樣機(jī)推進(jìn)性能,揭示樣機(jī)推進(jìn)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)和不足,不斷改進(jìn)樣機(jī)的設(shè)計(jì)、研制性能優(yōu)良的仿生水下推進(jìn)裝置具有重要的意義[1-2]．

國(guó)內(nèi)外學(xué)者從流場(chǎng)可視化和樣機(jī)自由移動(dòng)等著眼點(diǎn)開(kāi)展了仿生推進(jìn)裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)及搭建,并針對(duì)性地開(kāi)展了活魚(yú)觀測(cè)、流場(chǎng)重構(gòu)和樣機(jī)推進(jìn)性能驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)研究．文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)一套仿尾鰭推進(jìn)系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的水動(dòng)力試驗(yàn)以研究了運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)擺動(dòng)尾鰭水動(dòng)力性能的影響,并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果和水動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較,試驗(yàn)表明擺動(dòng)尾鰭可以產(chǎn)生推進(jìn)力和較高的推進(jìn)效率;文獻(xiàn)[4]對(duì)仿生魚(yú)慢速自主巡游狀態(tài)和C形快速起動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了仿生魚(yú)自主游動(dòng)過(guò)程的水動(dòng)力學(xué)特性;文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)一款仿鲹科機(jī)器魚(yú)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),分析一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)機(jī)器魚(yú)推進(jìn)性能的影響,以得到推進(jìn)性能最優(yōu)化的參數(shù)組合;文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)一種裝有可獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的肋條機(jī)器尾鰭系統(tǒng),以研究不同的運(yùn)動(dòng)模式,尾鰭產(chǎn)生的推力及尾流場(chǎng)的差異;文獻(xiàn)[7-9]利用數(shù)字粒子回像測(cè)速(dightal partical image velocimetry,DPIV)技術(shù)對(duì)一個(gè)靈活的擺動(dòng)尾鰭的尾渦進(jìn)行了觀測(cè),并分析振蕩頻率范圍0.704～1.17 Hz渦的變化距離和渦度;文獻(xiàn)[10]研制了一套可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平方向拍動(dòng)和縱向波動(dòng)模式的仿生機(jī)器尾鰭,研究探討鰭條的剛度和多個(gè)鰭條的運(yùn)動(dòng)模式對(duì)尾鰭三維運(yùn)動(dòng)推進(jìn)作用的影響;文獻(xiàn)[11]提出一種尾鰭擺動(dòng)與長(zhǎng)鰭波動(dòng)組合推進(jìn)的模型,并對(duì)剛性尾鰭擺動(dòng)模型和柔性長(zhǎng)鰭波動(dòng)模型進(jìn)行數(shù)值分析流場(chǎng)試驗(yàn);文獻(xiàn)[12]研究發(fā)現(xiàn),在自行驅(qū)動(dòng)的魚(yú)類(lèi)后部有射流形成,這些尾部渦噴的射流在對(duì)魚(yú)類(lèi)推進(jìn)方面有著積極的作用;文獻(xiàn)[13]參照魚(yú)體尾部運(yùn)動(dòng)函數(shù)方程設(shè)計(jì)了“BLRF-I” 系列仿鲹科機(jī)器魚(yú),對(duì)機(jī)器魚(yú)的巡游速度與最小轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,論證了機(jī)器魚(yú)關(guān)節(jié)數(shù)目對(duì)機(jī)器魚(yú)游動(dòng)性能的影響,提出魚(yú)關(guān)節(jié)數(shù)目和巡游速度的關(guān)系方程;文獻(xiàn)[14]構(gòu)建仿鯉魚(yú)機(jī)器魚(yú)平臺(tái),并通過(guò)系泊測(cè)力實(shí)驗(yàn)研究常見(jiàn)的圓形、叉形和新月形尾鰭的推進(jìn)性能,同時(shí)比較剛性、彈性兩種材質(zhì)對(duì)尾鰭推進(jìn)性能的影響;文獻(xiàn)[15]基于一個(gè)簡(jiǎn)單的模型,探究具有一定彈性的尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)的推力最大化的動(dòng)力學(xué)條件,當(dāng)驅(qū)動(dòng)軸的正弦轉(zhuǎn)動(dòng)與彈性尾鰭的正弦撓曲存在相位差,且接近π/2時(shí),推力最大．

直線型內(nèi)擺線推進(jìn)裝置是由直線內(nèi)擺線行星輪系和連桿機(jī)構(gòu)復(fù)合形成可動(dòng)三角形,其輸出的尾柄、尾鰭運(yùn)動(dòng)分別為正弦和類(lèi)正弦函數(shù),其運(yùn)動(dòng)無(wú)急回,且通過(guò)改變V型行星架夾角可靈活改變尾鰭尾柄運(yùn)動(dòng)相位差,同時(shí)還可以與減速裝置進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),適合應(yīng)用在大推進(jìn)力的場(chǎng)合．文中在自由移動(dòng)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上,結(jié)合該推進(jìn)系統(tǒng)和完整仿魚(yú)樣機(jī)的區(qū)別及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證需求,對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行改進(jìn),提高了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)推進(jìn)裝置左右晃動(dòng)的容錯(cuò)性,對(duì)該推進(jìn)裝置開(kāi)展性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),探討該推進(jìn)裝置在自主推進(jìn)過(guò)程中尾鰭運(yùn)動(dòng)頻率、橫移幅度、擺動(dòng)幅度、尾鰭種類(lèi)等參數(shù)對(duì)該推進(jìn)裝置推進(jìn)性能的影響．

1 直線型內(nèi)擺線推進(jìn)裝置的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)裝置

1.1 直線型內(nèi)擺線推進(jìn)裝置

直線型內(nèi)擺線推進(jìn)裝置以行星輪系和連桿機(jī)構(gòu)組成的復(fù)合機(jī)構(gòu)來(lái)模擬鰺科魚(yú)類(lèi)尾部雙關(guān)節(jié)尾擺運(yùn)動(dòng),具體來(lái)說(shuō)是直線型內(nèi)擺線行星輪系實(shí)現(xiàn)尾柄的直線往復(fù)移動(dòng),連桿機(jī)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)尾鰭擺動(dòng)的基礎(chǔ)上,和直線型內(nèi)擺線行星輪系構(gòu)成動(dòng)活動(dòng)三角形實(shí)現(xiàn)尾柄和尾鰭運(yùn)動(dòng)的復(fù)合,其運(yùn)動(dòng)模型如圖1．

圖1 直線型內(nèi)擺線推進(jìn)系統(tǒng)的雙關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)模型Fig.1 Two-joint kinematic model of linear hypocycloid propulsion system

尾柄A的直線往復(fù)位移SA、尾鰭繞A點(diǎn)的擺動(dòng)角位移θ的控制函數(shù)如下:

(1)

式中：r為太陽(yáng)輪的半徑,ω為行星輪的角速度.

圖2 不同θmax條件下尾鰭擺角的變化趨勢(shì)Fig.2 Variation trend of θ under different θmax

該直線型內(nèi)擺線推進(jìn)裝置的三維造型和原理樣機(jī)如圖3(a，b),圖3(c)為傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),具有運(yùn)動(dòng)無(wú)急回、相位差可調(diào)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)滿足大功率推進(jìn)的設(shè)計(jì)要求,可以與減速裝置進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)．

圖3 尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)Fig.3 Transmission system of caudal-fin propulsion system

2.2 推進(jìn)效率的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了對(duì)尾鰭的推進(jìn)效率進(jìn)行更加深入的研究,礙于現(xiàn)有的儀器并不能直接測(cè)量,采用基于推進(jìn)力——扭矩的推進(jìn)效率估算方法來(lái)求解推進(jìn)效率．通過(guò)對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)中尾鰭擺動(dòng)時(shí)的受力分析,測(cè)量目標(biāo)數(shù)據(jù)推進(jìn)力F和扭矩ττ,以間接的數(shù)值計(jì)算從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究目的．

尾鰭波動(dòng)推進(jìn)產(chǎn)生沿推進(jìn)器前進(jìn)方向的推進(jìn)力,進(jìn)而使推進(jìn)器前進(jìn)．推進(jìn)器推進(jìn)過(guò)程中尾鰭的輸出功率pout為一個(gè)周期的功率且輸出功率呈周期性變化,pin為尾鰭輸入功率,則推進(jìn)器前進(jìn)時(shí)的推進(jìn)效率η為:

(2)

式中：F為沿推進(jìn)器前進(jìn)方向的推進(jìn)力,即為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拉壓力計(jì)的讀數(shù);v為推進(jìn)器自由移動(dòng)擺動(dòng)條件下的推進(jìn)速度,即為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中滑塊的移動(dòng)速度．通過(guò)提取滑塊在圓形導(dǎo)軌上的關(guān)鍵點(diǎn)位置與時(shí)間形成S∝t的函數(shù)圖像從而得出近似的推進(jìn)速度v．

通過(guò)測(cè)量推進(jìn)器在推進(jìn)過(guò)程中所受到的轉(zhuǎn)矩來(lái)估算尾鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)所消耗的功率,即輸入功率．流體對(duì)沿x軸上尾鰭各處的反作用力在O點(diǎn)處的力矩τt與尾鰭擺動(dòng)的角頻率ω*的周期均值的乘積,即為魚(yú)體波動(dòng)運(yùn)動(dòng)的輸入功率．如圖4,尾鰭推進(jìn)系統(tǒng)尾柄C做不規(guī)則往復(fù)運(yùn)動(dòng),則此時(shí)有：

(2)

圖4 推進(jìn)系統(tǒng)中尾鰭擺動(dòng)時(shí)的受力示意Fig.4 Stress of oscillating caudal fin in propulsion system

3 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法

3.1 自由移動(dòng)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

基于來(lái)流和魚(yú)體相對(duì)平衡的思想,現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要分為兩類(lèi):固定式測(cè)量方法(圖5(a))和自由推進(jìn)測(cè)量方法(圖5(b))．

圖5 仿魚(yú)推進(jìn)測(cè)量方法Fig.5 Measurement methods of imitating fish propulsion

固定式測(cè)量法是將機(jī)器魚(yú)固定在支柱上,支柱上部與滑塊固定連接,保證機(jī)器魚(yú)模型垂直擺放;或者支柱直接被安置在循環(huán)水槽中,省去滑塊,在特定來(lái)流速度下,機(jī)器魚(yú)的外部受力均可以通過(guò)傳感器進(jìn)行測(cè)量，但這種固定式測(cè)量不能迎合自主推進(jìn)的理念．自由推進(jìn)測(cè)量是通過(guò)機(jī)器魚(yú)擺動(dòng)其尾鰭形成推進(jìn)力用以克服滑塊滑動(dòng)阻力和機(jī)器魚(yú)的流體阻力,直接測(cè)量魚(yú)體推進(jìn)過(guò)程中的推進(jìn)力和扭矩,這種方法大體上迎合了自主推進(jìn)的理念．

由于直線型內(nèi)擺線推進(jìn)裝置只有尾鰭推進(jìn)部分,難以避免魚(yú)艏擺動(dòng),為了提高實(shí)驗(yàn)的容錯(cuò)性,此處自由移動(dòng)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在自由推進(jìn)測(cè)量方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行部分改裝．實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用圓形導(dǎo)軌并增大支撐距離,使尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)在一個(gè)大弧度的曲面上做平面運(yùn)動(dòng),如圖6．為了使機(jī)器魚(yú)最大程度的在水箱里模擬魚(yú)在水下的游動(dòng)狀態(tài),考慮到尾鰭在自由擺動(dòng)時(shí)需要一定的空間,所以測(cè)量系統(tǒng)在垂直面內(nèi)的自由幅度為20°．在此條件下,保證其下擺跳動(dòng)誤差控制在4 mm以內(nèi),可以近似地認(rèn)為尾鰭在平面內(nèi)擺動(dòng)．

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)量方法Fig.6 Measuring method of experimental platform

直線型內(nèi)擺線推進(jìn)裝置的測(cè)量原理及實(shí)驗(yàn)裝置如圖7,尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)固定在拖拽系統(tǒng)的下部．在機(jī)器魚(yú)游動(dòng)過(guò)程中,以尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力參數(shù)推進(jìn)力和扭矩作為測(cè)量數(shù)據(jù),扭矩通過(guò)扭矩傳感器(HX-917)直接測(cè)量,推進(jìn)力通過(guò)拉壓力傳感器(LYJ-1)間接地測(cè)量,兩臺(tái)設(shè)備的工作頻率均為15次/s．沿魚(yú)體軸線的實(shí)時(shí)推進(jìn)力為：

(4)

圖7 傳感器測(cè)量原理及設(shè)備安裝Fig.7 Measuring principle of sensors and installation of equipment

水箱中的來(lái)流速度通過(guò)排列于兩邊的造浪泵調(diào)節(jié),并通過(guò)前部均勻密布網(wǎng)格使來(lái)流均勻，如圖8．在造浪泵的輔助下主通道中實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)流速調(diào)節(jié),關(guān)鍵流速0、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3 m/s均能通過(guò)控制后實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)驗(yàn)需求．

圖8 自由移動(dòng)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.8 Freely advancing & swinging experimental platform

3.2 實(shí)驗(yàn)條件

尾鰭運(yùn)動(dòng)學(xué)主要參數(shù)有:擺動(dòng)頻率f,尾鰭擺幅A,尾柄橫向移動(dòng)幅度H,尾鰭-尾柄相位差Δφ,斯德魯哈爾數(shù)St等;從已有的實(shí)驗(yàn)論證得出,實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前設(shè)置尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的相位差Δφ=90°．尾鰭的基本結(jié)構(gòu)尺寸以金槍魚(yú)尾鰭、海豚尾鰭和白鯨尾鰭為實(shí)驗(yàn)樣本,如圖9．

圖9 簡(jiǎn)化后的金槍魚(yú)、海豚和白鯨尾鰭Fig.9 Simplified caudal fin of tuna, dolphin and whale

尾鰭下緣尖部距離主流道底部大約15～20 cm．主流道的尺寸為1 000 mm×310 mm×430 mm,實(shí)驗(yàn)水溫15±5 ℃．水的運(yùn)動(dòng)粘度v為1.00×10-6m2/s．雷諾數(shù)Re=DL·U/v≈1.97×105．對(duì)于103≤Re≤107的流體,其粘性阻力相對(duì)于壓差阻力及附加質(zhì)量均可忽略．圖10為尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)水槽推進(jìn)實(shí)驗(yàn)快照．

圖10 尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)水槽推進(jìn)實(shí)驗(yàn)Fig.10 Flume experiment of caudal fin propulsion system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 尾鰭擺動(dòng)頻率對(duì)尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)性能的影響

以仿金槍魚(yú)尾鰭作為分析對(duì)象．設(shè)定尾鰭運(yùn)動(dòng)的定量參數(shù):H=30 mm、A=30°、v0=0．尾鰭擺動(dòng)頻率f為變量,其實(shí)驗(yàn)值為0.1～1.2 Hz均勻遞增．

如圖11,頻率和平均速度之間基本呈現(xiàn)線性關(guān)系,由圖可得，當(dāng)尾鰭擺動(dòng)頻率為0.1 Hz時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)仍停留在初始位置,這是因?yàn)楫?dāng)尾鰭擺動(dòng)頻率過(guò)小時(shí)尾鰭波動(dòng)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的推進(jìn)效果并未能突破測(cè)量系統(tǒng)的靜摩擦力;而當(dāng)擺動(dòng)頻率提升到0.2 Hz時(shí),其推進(jìn)速度突變到0.042 m/s,突變的斜率明顯高于之后的增速．從0.3 Hz開(kāi)始,其增速基本保持穩(wěn)定,表明形成了穩(wěn)定的尾渦,進(jìn)而使尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的平均推進(jìn)速度得到了較大的增幅．由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的限制,測(cè)定的最高頻率為1.2 Hz．

圖11 速度-頻率變化曲線Fig.11 Curve of speed to frequency

從圖12看出,在0～0.8 Hz范圍內(nèi),隨著尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)頻率的變化,平均推進(jìn)效率呈現(xiàn)增大趨勢(shì),在運(yùn)動(dòng)頻率達(dá)到0.8 Hz時(shí),其平均推進(jìn)效率達(dá)到峰值0.71．此后,伴隨著運(yùn)動(dòng)頻率的增加,尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的平均推進(jìn)效率又呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì)．

圖12 推進(jìn)效率-頻率變化曲線Fig.12 Curve of propulsive efficiency to frequency

通過(guò)對(duì)推進(jìn)效率隨頻率的曲線分析,可以初步得出結(jié)論,當(dāng)頻率f=0.8 Hz時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)性能最好．

4.2 尾柄橫向移動(dòng)幅度對(duì)尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)性能的影響

以仿金槍魚(yú)尾鰭作為分析對(duì)象．設(shè)定尾鰭運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的定量:A=30°、f=0.8 Hz、v0=0．尾鰭橫向移動(dòng)幅度H為變量,其實(shí)驗(yàn)值為30～50 mm均勻遞增．實(shí)驗(yàn)中選用3個(gè)不同的擺動(dòng)頻率以增加數(shù)據(jù)樣本．

圖13為在不同橫移幅度情況下,尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)平均推進(jìn)速度的比較．當(dāng)運(yùn)動(dòng)頻率為0.5 Hz時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)在橫移幅度為40 mm時(shí),推進(jìn)速度達(dá)到峰值;當(dāng)運(yùn)動(dòng)頻率達(dá)到1 Hz時(shí),其在橫移幅度為45 mm左右,推進(jìn)速度達(dá)到峰值;頻率更大,即1.5 Hz時(shí),檢測(cè)范圍內(nèi),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)甚至沒(méi)有峰值出現(xiàn)．這說(shuō)明在尾鰭形狀和展弦比確定的情況下,相對(duì)于每一個(gè)運(yùn)動(dòng)頻率,會(huì)有一個(gè)最優(yōu)橫移幅度,該值對(duì)應(yīng)最大推進(jìn)速度．

圖13 平均推進(jìn)速度-橫移幅度變化曲線Fig.13 Curves of average velocity to transverse amplitude

圖14為不同橫移幅度情況下,平均推進(jìn)效率的比較．在固定頻率條件下,系統(tǒng)的平均推進(jìn)效率均隨著尾鰭橫移幅度的增加而降低．當(dāng)f=0.5 Hz時(shí),增加4次尾鰭的橫移幅度,其降低幅度分別為19%、34%、52%、58%;當(dāng)f=1 Hz時(shí),其降低幅度分別為22%、44%、61%、71%;當(dāng)f=1.5 Hz時(shí),其降低幅度分別為31%、50%、68%、82%．這表明隨著尾鰭的橫移幅度不斷增大,其推進(jìn)效率最終會(huì)達(dá)到零點(diǎn),甚至出現(xiàn)負(fù)值,從而失去推進(jìn)能力．從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,尾鰭橫移幅度為30 mm左右時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)能獲得較高的推進(jìn)效率．

圖14 平均推進(jìn)效率-橫移幅度變化曲線Fig.14 Curves of average propulsive efficiency to transverse amplitude

綜上所述,在定頻率條件下,尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)速度隨著橫移幅度的增加而增加,并最終達(dá)到峰值,但平均推進(jìn)效率均隨著橫移幅度的增加而降低,30 mm的橫移幅度是其推進(jìn)效率最好．

4.3 尾鰭擺動(dòng)幅度對(duì)尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)性能的影響

以仿金槍魚(yú)尾鰭作為分析對(duì)象．設(shè)定尾鰭運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的定量:H=30 mm、f=0.8 Hz、v0=0．尾鰭擺幅A為變量,其實(shí)驗(yàn)值為20°～40°均勻遞增．

從圖15中的曲線可以清晰地看到,推進(jìn)效率起初呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),在擺動(dòng)幅度達(dá)到30°時(shí),達(dá)到測(cè)量范圍內(nèi)的峰值．此后,隨著擺動(dòng)幅度的進(jìn)一步增大呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)．初步得出結(jié)論,當(dāng)尾鰭的擺動(dòng)幅度在30°時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率處于峰值．

圖15 推進(jìn)效率-擺幅的影響Fig.15 Curves of propulsive efficiency to oscillating amplitude of caudal fin

4.4 尾鰭類(lèi)型對(duì)尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)推進(jìn)性能的影響

以仿金槍魚(yú)尾鰭、仿海豚尾鰭及仿白鯨尾鰭作為分析對(duì)象．設(shè)定尾鰭運(yùn)動(dòng)參數(shù)中的定量:H=30 mm、A=30°、f=0.8 Hz、v0=0．通過(guò)對(duì)圖16中曲線進(jìn)行分析:

圖16 平均推進(jìn)效率-尾鰭形狀變化曲線Fig.16 Curves of average propulsive efficiency to shapes of caudal fin

3種仿生尾鰭均出現(xiàn)了峰值,所不同的是仿白鯨尾鰭最先出現(xiàn)峰值在0.3 Hz左右,仿金槍魚(yú)尾鰭的峰值為最大在0.8 Hz左右;其次,可以將頻率范圍簡(jiǎn)單地分為3個(gè)階段,低頻階段:0～0.45 Hz,中頻階段:0.45～0.75 Hz,高頻階段:0.75 Hz～∞,在低頻階段,仿白鯨尾鰭的推進(jìn)效率要明顯高于仿金槍魚(yú)尾鰭和仿海豚尾鰭,而在中頻階段,仿海豚尾鰭具有優(yōu)勢(shì),在高頻階段,仿金槍魚(yú)尾鰭的推進(jìn)效率最高．

綜上所述,不同形狀的尾鰭所具備的最大推進(jìn)效率各不相同,推進(jìn)效率最高的是金槍魚(yú)尾鰭．低頻條件下,白鯨類(lèi)尾鰭成為不追求高速的大型水下動(dòng)物的選擇．中頻條件下,仿海豚尾鰭具有最高的推進(jìn)效率,水下中型魚(yú)類(lèi)大都采用仿海豚尾鰭．高頻條件下,仿金槍魚(yú)尾鰭具有最高的綜合性能,水下小型魚(yú)類(lèi)或追求高速度的中型魚(yú)類(lèi)均采用金槍魚(yú)類(lèi)尾鰭．

5 結(jié)論

以直線型內(nèi)擺線尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)為研究對(duì)象,以改進(jìn)的自由移動(dòng)擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為研究工具,以機(jī)器魚(yú)尾鰭的推進(jìn)力和扭矩為測(cè)量目標(biāo),研究尾鰭運(yùn)動(dòng)頻率、橫移幅度、擺動(dòng)幅度、尾鰭種類(lèi)對(duì)尾鰭自主推進(jìn)性能的影響,進(jìn)行大量的尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

(1) 尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的平均速度隨著尾鰭運(yùn)動(dòng)頻率增大而提高,且當(dāng)尾鰭運(yùn)動(dòng)頻率在0.8 Hz時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率最高，此時(shí)的推進(jìn)性能最好．

(2) 特定的尾鰭相對(duì)于每一個(gè)運(yùn)動(dòng)頻率,會(huì)有一個(gè)最優(yōu)橫移幅度,得到最大的推進(jìn)速度,當(dāng)尾鰭的橫移幅度在30 mm時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率最高，此時(shí)的推進(jìn)性能最好．

(3) 尾鰭的擺動(dòng)幅度在30°時(shí),尾擺式推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)效率最高此時(shí)的推進(jìn)性能最好．

(4) 不同形狀的尾鰭在不同頻段下所具備的最大推進(jìn)效率各不相同．低頻時(shí),白鯨類(lèi)尾鰭大型水下動(dòng)物的最優(yōu)的選擇;中頻段,仿海豚尾鰭具有最高的推進(jìn)效率,水下中型魚(yú)類(lèi)大都采用仿海豚尾鰭;鯵科尾鰭在高頻狀態(tài)下推進(jìn)效果要優(yōu)于白鯨尾鰭和海豚尾鰭．