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1、一种高效波动推进方式的研究及其机器人平台的开发设计说明书 海洋航行器的运动是依靠流体的反作用力实现的，当代海洋航行器的主流动力装置是螺旋桨，螺旋桨扰动流体产生周向诱导速度和轴向诱导速度。有用功率是轴向诱导速度产生的，相当一部分的能量引起了流体的周向转动做了无用功。波动推进是一种高效的推进方式，设计采用一种波动实验装置测量波动鳍在不同波速，波频以及波幅状态下产生的推力大小与推进的效率，根据实验结构绘制出效率曲线，得出最高效率对应的波幅波长与波动速度应用于实际的航行器平台。作品是一种波动推进装置，通过摆动杆有序的摆动形成杆组的波动，进而产生推力。推进机理是波动鳍产生的行进波与水相互作用产生推力，其
2、对流体的扰动小，产生的噪声低，绿色环保；实验测得低速条件下推进效率高于螺旋桨。联系人：徐文华 ； ： ； E-mail：xwh625163.1.研究背景及现状介绍1.1研制背景及意义我们知道燃油消耗是远洋船舶的主要运营成本之一，因此研究一种新型的高效水中推进方式来降低能耗有十分重要的意义，同时也符合现在节能减排的大趋势。 海洋中的水生生物经过漫长的自然进化，使得它们的推进方式拥有极高的效率及灵活性。 目前广泛应用的水下航行器基本都是采用螺旋桨推进。由于在螺旋桨尾部的水流分离、漩涡多、气泡大等原因造成明显的能量损失，其推进效率只能达到40%；而仿生推进效率可以达到80%以上。仿生水下游动的高机动
3、性，高效率，以及低噪声、对环境扰动小等优点符合节能减排，绿色环保的社会发展需要。本作品是在系统研究了鳍波动推进方式的基础上制作的，在满足水中航行器的各种功能的前提下大大提高了机器鱼的推进效率，达到了节能的效果。 图（1）：鳍波动推进乌贼 图（2）：鳍波动推进机器人1.2 当前国外同类领域的研究水平 受到生物实验技术和非定常流体动力学理论的制约，MPF推进模式的研究相对于BCF推进模式起步较晚。所以对于尾鳍摆动模式的研究较多，成果也较多。而鳍波动模式的研究尚处于初级阶段。国关于鳍波动模式的研究机构较少。目前国际上已经开发出了多种多样的柔性鳍波动推进仿生模型，在理论研究、数值计算，实验研究等方面都
4、有了不同程度的进展，然而柔性鳍波动推进的机理还在研究探索中，仿生推进的研制也都处于实验研究阶段，离实际的工程应用还有很大距离。2.基本理论分析2.1 波动式推进方式的理论基础图（3）：波面受力分析由此由图2-2分析可以得到: (1-1) (1-2)式中,是作用于鳍单元截面的压力矢量,方向垂直于鳍单元截面；是沿着鳍截面单元边界层的流体速度矢量,是边界层的高度，是流体的动力粘性系数,方向的单元矢量,S是鳍与流体的有效作用面积。至此我们得到了在稳态直线游动时，鳍波动推进时产生的瞬态推力和阻力的表达式。由式(2-4), (2-5)知，要想获得鳍波动推进过程中产生的瞬态推力及阻力，就必须清楚流体作用于鳍
5、表面的瞬态压力分布及鳍附近的流体速度分布情况。 要获得流体作用于鳍表面的瞬态压力分布及鳍附近的流体速度分布情况，那么依据流体控制方程即可对柔性鳍波动推进的稳态进行动力学建模。 柔性鳍的波动推进属于三维非定常的复杂湍流流体力学问题，假设所处流体为不可压缩流体，则柔性鳍波动推进稳态运动时周围流体速度和压力的变化由粘性流体控制方程组微分形式的N-S方程和连续性方程来实现： (1-3) (1-4)式中，是流体的密度，是流体的动力粘度，是流体域的流体速度矢量，是对时间的全积分，是作用于流体的体积力（主要指鳍的重力，因柔性鳍质量很小，此处可忽略），是压力。联立式（1-1）、（1-2）、（1-3）、（1-4
6、）即可得到柔性鳍波动稳态推进时的流体动力学方程组，对上述方程组进行求解时，需要注意流体对鳍的压力矢量始终垂直于鳍的单元截面表面，因而压力矢量的确定与鳍的运动变形是分不开的，即鳍的运动方程要给定才能解出唯一的解。鳍的运动规律本身就是复杂的，为了求解动力学方程，运动规律将通过实验测量的方法来获取。3.波动式推进方式的实验研究装置3.1 实验研究装置的设计流程 实验装置旨在测定波动推进装置在不同波速，波幅与波频状态下所对应的推力与效率，绘制推力与效率曲线，得出装置的最大推力与效率。 实验装置主要有以下及部分组成： 1、实验水槽 2、导轨 3、平台小车4、波动鳍 5、测速装置 6、测力装置 7、控制模
7、块。 在循环水槽固定实验装置，让水流以一定流速V流经波动装置。测量实验装置的产生的推力T，在每根摆杆的根部贴上应变片测量应变，由此得到杆端的弯矩M。装置的效率为: 图（4）：实验装置图3.2 数据计算结果通过控制变量法，我们把波幅、波长、波频、来流速度这四个变量中的三个变量固定，使用CFD软件在改变剩下的一个变量计算出推力并计算效率值对数据进行分析后，结果如下： （均为国际单位）表1：不同波动参数与对应的推力与效率以上是我们应用CFD计算软件得出的部分数据。从数据中可以看出在我们计算的速度围当波长、波幅、波频固定是，迎流速度越大，推力值趋小。而效率值在迎流速度约为0.77m/s时最大，最大的敞
8、水效率约为86.42%，可见柔性鳍波动方式的推进效率比螺旋桨的推进效率要高出很多。3.3 由计算得出的波动鳍参数通过控制变量法，我们把波幅、波长、波频、来流速度这四个变量中的三个变量固定，改变剩下的一个变量计算推力及效率值，得到各种数据值。对数据进行分析后。我们发现当波幅（在这里为摆杆的摆角）为，摆动频率为15HZ，波长为108mm时的推进效率高且推力相对也较大，所以我们选择这组数据作为接下来设计波动推进装置的主要参数。4. 波动式推进装置的设计流程4.1 机械机构本装置采用曲柄摇杆机构把电机的转动转换成杆组的摆动，在杆组上覆盖一层柔软的薄膜形成鳍波动曲面。图（5）：运动机构与波形示意图4.2
9、 外形设计及优化减阻最初的设计是直接用部机械结构的框架作为机器鱼的外形，这样制作更为简便。我们用CFD软件计算了这种外形的机器鱼在以1m/s的速度在水中运动时的阻力为59.32N。图（6）：CFD软件计算所得的压力云图通过压力云图可以看出前方的高压区和后面的低压区的面积都很大，这使得外形的阻力增大，增大了能耗。为了更加节能，我们对外形进行了优化：沿长度方向采用流线形的外部形状。作为对比我们用CFD软件计算了采用这种外形的机器鱼以1m/s的速度在水中运动时的阻力为3.34N。图（7）：CFD软件计算所得的压力云图从上图可以看出，前方高压区和后方低压区的面积都比最初的面积小。而且优化后的高压区的压
10、力值也减小了一个数量级，优化前是3.21e+03，优化后变为4.44e+02。这使得优化后的阻力降低了很多，达到了节能的效果。图（8）：基于实验和理论优化的波动推进器样机5.创新点及应用创新点：(1). 应用仿生学原理，吸取了鳍波动推进效率高，噪声小的优点，彻底革新航行器的推进方式，提高了推进的效率与灵活性。(2).以实验为依据，通过测得不同波长，波频与波幅状态下的效率，绘制效率曲线，得出最高效率对应的波长，波频与波幅，作为波动推进平台的设计参数。 (3).整体机械结构构思巧妙，波形构造逼真，最大程度的发挥了鳍波动推进效率高，噪声小的优点。 应用：在当今社会，各行各业对于的要求无外乎两点：高效
11、率和绿色环保。波动推进方式相较于螺旋桨推进器对流体的扰动低，因而具有较高的推进效率，噪声小，绿色环保的特点。在低速场合下有优良的机动性和稳定性，抗干扰能力强。非常适用于对环境机动性要求较高的复杂应用场合，如在海洋极端环境下进行资源探测等。试验样机已经制作完成，能够灵活高效的完成前进，转向与升降运动，且造价较低，同时满足推广应用的科学性与经济性要求。参考文献 1 王振龙.乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用J.机械工程学报，2008.(6)2 海斌.基于柔性长鳍波动推进的仿生水下机器人设计与实现J.机器人，2006.（9）3 柴华.基于SMA元件驱动的仿生机器乌贼模型的设计研究J.2009.(11)4 钱勤建.波动游动物体的推进性能及其优化J.2011.(3)5 芳芳.基于柔性鳍波动的水下仿生推进性能研究J.2012.(2) 说明书附图 流线型外壳 机器人下水 基于实验和理论优化的波动推进器样机 Matlab波动模拟 CFD波动推力计算
