哈工程哲社立项其机器人平台的开发VIP免费

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；电话：13703606215；E-mail：xwh625@163.com1.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。23图（1）：鳍波动推进—乌贼图（2）：鳍波动推进机器人1.2当前国内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。国内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4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，是流体域内的流体速度矢量，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）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...