仿生鱼自主游动的水动力学模拟及其影响因素分析

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】A simplified model and calculation model about fish oscillation based on the structure of tuna and self-propelled swimming are established. The UDF program for fish oscillating control is developed by using CFD software and dynamic grid technique, the self-propelled swimming mechanism of fish and the influence of velocity and viscosity on fish swimming behavior were analyzed. It can be found that flow speed has a significant effect on fish swimming, and viscous has not particularly influence on the self-propelled swimming of fish. The study will provide an important reference for the conceptual design and performance of optimization of bionic underwater propulsion.%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;TP240 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体外形及游动特点。

以往针对鱼游动的研究大部分都是以仿生鱼作为研究对象，主要研究其水动力学机理，对于鱼游动过程中外部环境的影响研究得很少。

而分析周围环境对鱼游动行为的影响，对从生物本能上了解鱼的游动行为和进一步分析鱼类游动行为都有重要意义。

鱼在正常情况下的游动可以近似看做是在平面上的二维运动，而鱼游动过程中的流场分布却是三维的。

因此，本研究针对尾鳍游动的鱼建立了三维分析模型，使用Fluent软件研究二维运动规律下在不同流速时鱼的受力和游动情况，旨在分析鱼体周围三维流场分布，同时对流体粘性的影响做简单的分析。

1 鱼自主游动模型的建立根据常见尾鳍推进模式鱼的实体结构，忽略胸鳍、腹鳍、背鳍等结构，建立鱼的三维分析模型的俯视图如图1所示。

鱼体从头部到尾部的距离设为L=0.25 m。

图1 鱼体模型Fig.1 Model of fish在本研究中只考虑鱼在二维运动规律下的自主游动行为，这种运动规律能够反映鱼在正常游动情况下的运动行为，仿生鱼体绕流的控制方程为：(1)式中，u是流体速度；p是流体压力；ρ是流体密度；υ是流体的动力学黏性系数。

针对二维仿生鱼自主游动状态，其受力控制方程为：(2)式中，M是仿生鱼的质量；U是仿生鱼的游动速度；F是仿生鱼在速度方向上受到的合力。

计算区域取7L×3L，鱼体在高度上处于计算区域的中间位置，在长度方向上鱼头顶点位置距离计算区域入口边界4L，鱼尾距离计算区域出口边界2L。

计算区域如图2所示。

图2 计算区域Fig.2 Computed region为了保证计算质量，本文中对于鱼体表面网格进行了局部加密并采用四面体网格对计算域进行划分，整体网格由Gambit软件生成，鱼体的自主游动使用Fluent中的动网格功能实现，通过编写相应的UDF程序，完成鱼体运动规律的控制。

鱼体中轴线的运动规律[10]为：h(x,t)=a(x)sin(ωt-2πkx)，(3)其中，h(x,t)表示鱼体中心线的侧向位移；x表示鱼体中心线沿体长方向的位置坐标，且在整个计算过程中计算域沿x方向的范围为-1.3 m≤x≤0.45 m；a(x)为波幅包络线函数；k为鱼体波的数量，本研究中取k=1，得到鱼体波长λ=L/k=L，其中,L为鱼体长度，ω为鱼摆动的角频率，ω=2πf，这里f为鱼体摆动的频率。

图3 不同网格数量下压力分布Fig.3 Pressure distribution in different mesh number计算区域入口处设置速度入口边界条件，速度为流体流动速度，不考虑流体流动的影响时进出口均设置为壁面边界条件；考虑流体流动时出口设置为自由出流边界条件；时间步长设置为0.01 s，计算时间为4 s。

为了分析网格数量对计算结果的影响，分别选取6.0×105、6.8×105和7.2×105等3种网格数量，研究在不同网格数下中截面距离入口相同距离处相对压力的分布情况，以进行网格独立性验证。

相对压力分布曲线如图3所示。

从图3可以看出，在3种网格数量下，同一位置处的压力分布基本上相差不大，当网格数超过6.8×105以后计算结果基本没有变化，说明再加密网格对计算结果影响不大。

综合考虑计算精度和计算的效率，本文在进行数值计算中选用6.8×105网格数量。

2 结果与讨论2.1 自主游动行为分析在鱼的实际游动过程中，流场对于鱼的游动行为和受力状况都会产生影响，鱼在静止流场中的运动才能真正反映鱼的游动行为。

为了更直观地分析鱼在流场中的自主游动行为，假定鱼处于一静止流体中，从静止开始按照式(3)所给规律在水中运动，可得到鱼运动的压力场分布图、涡量分布图和等值面图，如图4～6所示。

从压力云图可以看出，鱼在游动过程中，鱼头处会受到较大的流场阻力，鱼体在不同时刻会交替出现高低压区域，而在鱼尾部摆动方向会出现高压区域，尾部相反方向则为低压区域。

这些压力差的存在提供了鱼游动的动力。

同时，在尾流区域会出现比较明显的压力扰动区域和漩涡脱离现象，这些现象与文献[4]中描述鱼的运动规律比较吻合，验证了本文所开发程序的正确性。

此外，从等值面图可以看出，鱼在自主游动时其压力和涡量分布是三维的，在鱼尾部两侧有较明显的压力和涡的分布，而在鱼体中心线附近涡分布并不是很明显。

因此，三维模拟可以更真实反映鱼的自主游动特性和运动机理。

(a) t=3 s(b) t=3.5 s(c) t=4 s图4 不同时刻压力分布Fig.4 Pressure distribution at different(a) t=3 s(b) t=3.5 s(c) t=4 s图5 不同时刻涡量分布Fig.5 Vorticity distribution at different moments(a) 压力分布(b) 涡量分布图6 t=4 s时等值面图Fig.6 Iso-surface at t=4 s2.2 来流速度的影响为了研究流体流速对鱼的游动行为的影响，分析其受力情况和自主游动能力，这里研究了在相同运动条件下不同来流速度时其运动情况。

通过对比在静止流体中的自主游动行为，研究流速对鱼游动行为的影响机理。

不同流速下压力场和涡量场分布如图7～9所示。

(a) t=3 s(b) t=3.5 s(c) t=4 s图7 流速v=0.3 m/s时不同时刻压力场Fig.7 Pressure distribution at different moments with v=0.3 m/s(b) t=3.5 s(c) t=4 s图8 流速v=0.3 m/s不同时刻涡量分布Fig.8 Vorticity distribution at different moments with v=0.3 m/s(a) 压力分布(b) 涡量分布图9 t=4 s时等值面图Fig.9 Iso-surface at t=4 s当流体速度设置为0.3 m/s时，流体流速已经超过了鱼在静止流体中游动的最大游动速度，在这种情况下鱼是被流体带向下游，无法在流体中向前游动。

观察鱼体周围的压力场和涡量场可以看出，鱼体头部位置为高压区域，在鱼的尾部区域也是一侧高压区域，一侧为负压区域,在不同时刻鱼体的周围交替出现高压和低压区域。