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仿生鱼自主游动的水动力学模拟及其影响因素分析

周建军;毛璋亮;石小涛;肖仁政;袁显宝

【摘要】Asimplifiedmodelandcalculationmodelaboutfishoscillation

basedonthestructureoftunaandself-propelledswimmingare

established.TheUDFprogramforfishoscillatingcontrolisdevelopedby

usingCFDsoftwareanddynamicgridtechnique,theself-propelled

swimmingmechanismoffishandtheinfluenceofvelocityandviscosityon

fishswimmingbehaviorwereanalyzed.Itcanbefoundthatflowspeedhas

asignificanteffectonfishswimming,andviscoushasnotparticularly

influenceontheself-propelledswimmingoffish.Thestudywillprovidean

importantreferencefortheconceptualdesignandperformanceof

optimizationofbionicunderwaterpropulsion.%文中针对金枪鱼的结构和自主

游动行为建立了鱼体的简化模型和鱼体摆动的计算模型,采用CFD软件并结合动网

格技术开发了控制鱼体摆动的UDF程序,对鱼类自主游动行为进行了仿真模拟,研

究了鱼类自主游动的机理、水流速度以及粘性对鱼游动行为的影响.通过模拟计算

发现,水流速度对于鱼的游动有比较大的影响,而粘性对鱼的自主游动影响不是特别

明显.研究结果可为仿生水下推进器的概念设计和性能优化提供重要的参考.

【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》

【年(卷),期】2018(043)003

【总页数】10页(P1003-1012)

【关键词】鱼自主游动;运动仿生;动网格;CFD模拟

【作者】周建军;毛璋亮;石小涛;肖仁政;袁显宝

【作者单位】三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌443000;三峡库区生态环境教育

部工程研究中心,三峡大学,湖北宜昌443002;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌

443000;三峡库区生态环境教育部工程研究中心,三峡大学,湖北宜昌443002;三峡

大学机械与动力学院,湖北宜昌443000;三峡大学机械与动力学院,湖北宜昌

443000

【正文语种】中文

【中图分类】O35;TP24

0引言

科学家通过研究发现，在所有的海洋生物中鱼类的游动方式效率最高，而且,相比

较传统的螺旋桨驱动，鱼类的游动具有高机动性、高隐蔽性的特点[1-2]。保护生

态，修建过鱼设施时也需要了解鱼的游动行为以及其影响因素。因此，国内外的许

多学者都开展了鱼的游动行为的研究。

Liu等[3]基于CFD方法实现了对复杂生物体运动的可视化建模，通过数值模拟分

析了蝌蚪游动的三维流场。严慧云等[4]利用fluent动网格技术对金枪鱼的自主游

动进行了模拟分析,研究了鱼体摆动频率和摆动方式对鱼体游动的影响。Zhu等[5]

利用三维面元的方法分析了金枪鱼游动时的水动力学特性，研究了尾鳍对旋涡的

主动控制以及受旋涡的影响。夏丹等[6]采用一种流体结构耦合方法研究了机器鱼

的自主游动行为，实现了流体和结构的交互。BORAZJANI等[7]基于非自主的前

提研究了鲹科模式和鳗鲡模式鱼类的游动性能。夏全新等[8]利用动网格模型，采

用有限体积法对鱼类波状摆动推进模式进行了数值仿真，分析了鱼游动的流场细节

以及边界条件对鱼游动的影响。徐晓峰[9]运用人工伪压缩方法求解了三维不可压

缩非定常Navier-Stokes方程，探讨了金枪鱼和鲤鱼自主游动的问题以及鲤鱼游

动轨迹控制的问题,并研究了影响鱼类游动的因素，对鱼的游动控制提出了一些方

法。

鱼游动的内在机理是非常复杂的，不仅要考虑鱼的主动控制、与流体相互耦合作用

等问题，还要考虑到不同鱼类在不同生活环境中的漫长进化过程中而形成的不同鱼