基于鳍型推进器的无人 underwater 车推进与机动

生物仿推进运动鳍状物因其实现高推力、效率与机动性的潜力而受到关注。许多水生生物通过协调鳍状物的振荡来实现推进，理解这些水动力机制有助于为设计先进的 underwater 车提供启发。本文发展了一个数值框架，用于模拟 NACA 0020 翼型在均匀自由流中沿前缘进行给定的垂向位移和俯仰运动。采用基于边界数据浸没法（BDIM）的二维不可压流求解器 WaterLily 进行仿真。通过非维数群（主要为斯特劳哈尔数）对关键运动参数（频率、垂向振幅、俯仰振幅和相位偏移）进行特征化。保持雷诺数恒定以隔离运动效应，并引入一个用于描述多鳍系统中相位驱动相互作用的额外参数。本研究首先以单鳍为基础，建立基线力生成模型。随后发展了一个包含前缘扭转弹簧的简化模型，以模拟柔性。还考察了非对称驱动的效应（通过垂向速度、俯仰偏置和刚度变化），表明可实现横向净力以实现机动。接着研究多鳍配置。下游鳍通过与上游鳍产生的涡旋相互作用，实现从涡流中能量提取。结果表明，调节相位偏移和间距可显著增强推力，而不当的时机会降低性能。为高效探索日益增长的参数空间，本文应用贝叶斯优化以识别高性能配置。本工作为振荡鳍推进的水动力机制提供了见解，并为设计高效的生物仿 underwater 推进系统奠定了框架。