长鳍波动推进流向涡结构PIV试验研究

张 军, 白亚强, 翟树成, 张国平, 徐良浩

(中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室, 江苏 无锡 214082)

长鳍波动推进流向涡结构PIV试验研究

张 军*, 白亚强, 翟树成, 张国平, 徐良浩

(中国船舶科学研究中心 船舶振动噪声重点实验室, 江苏 无锡 214082)

鱼类的高效、低噪声、高机动游动为水下航行体推进技术研究提供了很好的启发与借鉴。尼罗河魔鬼鱼依靠长背鳍波动推进，可以在主体基本不变形下巡游，还可以通过改变波动方向敏捷地倒退或前进。对于这种推进模式国内外已经开展了一些仿生推进水动力实验研究，对流动涡结构也有一些数值计算研究，但对流动涡结构试验研究开展很少，因而数值计算方法也缺乏充分的验证。本文针对MPF(Median and/or Paired Fin，中央/对鳍)模式长鳍波动推进，采用相位同步PIV技术测量了系泊状态下首、中、尾部及尾流不同相位横截面流场，采用相位平均方法计算获得平均速度场，进一步提取分析了流向涡涡结构特征及其随相位的演变规律，为长鳍波动推进涡结构数值预报和水动力机理揭示提供了试验依据与支撑。

仿生推进；波动鳍；PIV；涡结构；流向涡

0 引 言

鱼类经过数百万年的自然进化，获得了对水中复杂环境的高度适应性。与传统的推进方式相比，鱼类的游动具有高效率、低噪声、高机动性等诸多优点，对改进现有的水下航行器推进系统具有重要的启发与借鉴作用[1-3]。因此。仿生推进是目前推进技术研究颇为关注的一个方向。

目前国内外已有不少研究人员进行了波动鳍推进构型、水动力及推进机理方面的研究。2003年，美国西北大学的Maclver等人仿裸背鳗科鱼“黑魔鬼”的长臀鳍扭波推进，设计出用于水下自主航行器的带状鳍推进器，并研制出电机驱动的仿生波动鳍原型系统[4]。新加坡南洋理工大学模仿黄貂鱼的胸鳍结构和运动，于2005年研制出仿生波动鳍机械装置，并构建了用一对侧向波动鳍推进的仿黄貂鱼水下机器人[5-6]。2008年，Shirgaonkar等采用浸没边界法数值求解了弱电刀鱼扭波推进的水平、横向和垂向3个方向的水动力[7]。2010年Rahman等开展了双波动鳍周围流动的数值计算，研究推力产生的机理[8-9]。研究表明，推力和推进效率主要依赖于长宽比和鳍角。2013年Rahman等通过自航试验和准定常数值模拟方法，研究了仿墨鱼水下机器鱼双鳍推进系统的制动性能。通过测量和计算的水动力参数来求解准定常运动方程，并与自航试验结果进行了比较[10]。

国内不少学者开展了尾鳍、胸鳍摆动仿生推进技术的研究，包括数值计算与实验研究，并取得了可喜进展[11-13],但开展长背鳍波动扭波推进技术研究的则较少。

尼罗河魔鬼鱼(Gymnarchus Niloticus Fish, GNF)的游动特点主要有：推进效率较高，机动灵活，一般巡游时身体主体保持为直线，仅采用长背鳍扭波推进。大量观测发现，GNF鳍条的摆动幅度通常在±60°～±90°，而且在通常的巡游状态，鳍条摆角都接近±90°，只有在控制悬停或非常低速游动时，鳍条摆角取较小的值(约±60°)。

王光明等开展了长背鳍波动推进的理论分析和试验研究[14]，鳍条最大摆幅为30°。2010年，浙江大学的刘芳芳等开展了仿墨鱼侧鳍波动推进的研究。其采用单根鳍条为驱动源，通过鳍条的摆动带动鳍面运动，并将振动向后传递而在鳍面上形成推进波形。此外还通过粒子流态显示，定性描述了尾鳍摆动与长鳍波动时流动结构的差异[15]。

2011年，海军工程大学与中国船舶科学研究中心合作开展了长鳍波动推进的DPIV流场测量探索性试验[16]。试验捕捉到了长背鳍附近局部非定常三维流场和瞬时涡结构。在鳍首处观察到了强抽吸现象，而鳍尾则表现为向后下方的射流。但由于没有采用相位同步测量技术，所摄录的流动粒子图像是随机的，难以进行流动结构特征及演化规律的深入分析。

本文以尼罗河魔鬼鱼为仿生研究对象，针对MPF模式长鳍波动推进，采用相位同步PIV技术测量系泊状态下首、中、尾部不同相位横截面流场，采用相位平均方法计算获得平均速度场，进一步提取分析流向涡涡结构及其随相位的演变特征。

1 试验设置及测量方案

1.1 试验模型与设施

波动推进长鳍由柔性橡胶制成，鳍面总长度L=768mm，鳍面高度h=50m，鳍面波长λ/L=0.5。鳍面由25根沿轴向均匀分布的刚性鳍条主动驱动控制，鳍条间距为32mm。鳍条可在垂直于轴向的横截面内由齿轮机构带动做往复摆动(见图1)，最大摆幅为85°。本试验在中国船舶科学研究中心大型分层流水池中进行，试验水池长25m，宽3m，深1.5m，水池框架采用不锈钢材料加工，池壁采用透明的钢化玻璃制成。试验时水池水深为900mm，试验推进模型浸深为450mm，试验模型通过长剑固定于拖车上。

1.2 测试系统

本试验PIV系统构成如下：双腔脉冲激光器Quantel Twins Brilliant B，波长325nm、脉冲能量425mJ、脉冲频率10Hz；互相关CCD相机TSI PowerViewPlus 4M，2048pixel×2048pixel；Nikon镜头，焦距200mm；同步控制器，TSI LaserPlus 6100，时间分辨率1ns；编码器Rotary Encoder E80H30-1024-6-L-5，相位分辨率0.35°。

1.3 鳍面摆角相位同步控制

通过在电机轴上安装编码器获得电机驱动轴的旋转角度，进而通过传动关系计算得到主动轴的旋转角度，从而也就得到了波动鳍面的相位。本模型电机轴的转动频率与波动长鳍的摆动频率之比为1∶3。

在试验过程中，将编码器获取的电机驱动轴旋转角度信号传递给同步控制器，由同步控制器依次发出信号给CCD相机、激光器，从而采集到设定相位下流场粒子图像。本试验中鳍面的最大摆角Φmax=85°，将其在一个周期内分为8等分，并确定出与之对应的电机轴旋转角度。

设相位序号分别为1～8，所对应的电机轴旋转角度分别为： 15°、30°、45°、60°、75°、90°、105°和120°，则鳍面摆角分别为：1/2Φmax(顺时针)、0(顺时针)、-1/2Φmax(顺时针)、-Φmax(顺时针)、-1/2Φmax(逆时针)、0(逆时针)、1/2Φmax(逆时针)、Φmax(逆时针)。

1.4 测量截面部位

流场测量的坐标系是以长鳍波动推进器的旋转轴(长度方向)为x轴，鳍面的中矢面为xoy平面(即各鳍条恢复至0相位时所形成的平面)，y轴垂直于x轴，z轴方向按右手法则确定，坐标系的原点o位于长鳍驱动轴的一端。

本文选取了4个不同轴向位置的横截面(yoz平面)进行2D-PIV测量，每个截面均测量了8个相位。测量截面的位置选取如图2所示，首部、中部、尾部和尾流横截面位置分别为：x=96、384、672和866mm。

本试验中激光器从水池底部打光，CCD相机从水池侧面摄像(见图3)。

本试验采用TSI公司INSIGHT3G软件对PIV图像进行分析，诊断窗口为32pixel×32pixel，视场为210mm×210mm，空间分辨率为1.64mm。试验中对于每个测量平面每个相位连续采集了100对粒子图像，以便进行相位平均下的流场分析。

2 试验结果及分析

本试验测量了系泊状态下柔性长鳍波动推进模式的横截面流场，扭波频率f=2.0Hz。图4为某一时刻拍摄到的鳍面首部横截面流场数据，其中图4(a)为含鳍面图像的瞬时速度矢量图，图4(b)为瞬时速度云图及其流线图。由于鳍面的运动特点和实验条件所限，无法获取被鳍面及其阴影所覆盖的流场区域数据，如图4(b)中空白区域所示。图4(c)为100次同相位瞬时速度场数据得到的横截面内平均速度值云图及横截面流线图，图中的灰色粗实线表示此相位下鳍面的截线位置。与图4(b)相比，由于平均处理后去除了数据中的瞬态随机误差，图4(c)中流线更为光顺。

2.1 首部横截面测量结果

图5为鳍面首部截面(x=96mm)相位平均轴向速度场分布云图及面内流线图，及其随相位的序列变化，灰色实线表示该时刻鳍面与该横截面的交线。分图(a)～(f)代表不同的相位，分别为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。

由图5可以看出：

(1) 在鳍面波动周期内的任一时刻，在其首部横截面上都可以观察到流向涡的存在，且随着鳍面的周期性摆动运动，流向涡会周期性地生成和脱落；

Fig.5Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinforepartcrosssection

(2) 当鳍面运动到最大摆角位置附近时，开始有新的涡结构产生。在1个周期内生成2个涡，一个是在左边最大摆角，另一个是在右边最大摆角。当鳍面摆动到中垂面附近时，已经发展的流向涡开始溃散；

(3) 在鳍面运动过程中，从横截面内来看流体从周围流向鳍面，并从鳍面梢部向外射出。

2.2 中部横截面测量结果

图6为鳍面中部截面(x=384mm)相位平均轴向速度场分布云图及面内流线图，及其随相位的序列变化，灰色实线表示该时刻鳍面与该横截面的交线。分图(a)～(f)代表不同的相位，分别为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。

Fig.6Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinmiddlecrosssection

可以观察到，与鳍面首部横截面相比，其流场具有相似的涡结构特征和演化规律，只不过在中部横截面上同时存在更多的流向涡，从鳍面基线向梢部方向，涡的旋转方向是交替变化的。流向涡的产生、发展和消散过程表现得更加清晰。另外还可以观察到，在中部横截面流场中高速射流条带更加明显，且射流主方向在鳍面中矢面左右摆动。

2.3 尾部横截面测量结果

图7为鳍面尾部截面(x=672mm)相位平均轴向速度场分布云图及面内流线图，及其随相位的序列变化，灰色实线表示该时刻鳍面与该横截面的交线。分图(a)～(f)代表不同的相位，分别为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。

Fig.7Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinposteriorcrosssection

可以看到，其流场结构特征和演化规律与鳍面中部横截面有一定的相似。不同的是在涡结构消散的过程中，在涡心位置会形成流场源点，表明该截面上的流体会随着涡结构的溃散产生出一股轴向射流。

2.4 尾流横截面测量结果

图8为鳍面尾流中截面(x=866mm)相位平均轴向速度场分布云图及面内流线图，及其随相位的序列变化。分图(a)～(f)代表不同的相位，分别为45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°和360°。

可以看到，该截面流动涡结构和演化规律与鳍面首部、中部、尾部横截面已不一样，尾流中横截面上的流动结构相对比较稳定，随鳍面相位的变化不大，在鳍面下方的两侧会形成2个稳定的大尺度流向涡结构，流体从鳍面梢部向外流出，在2个涡结构之间形成一股垂直向下的射流。

Fig.8Phase-averagedvelocityfieldvariedwithphaseinthewake

3 结 论

以尼罗河魔鬼鱼为仿生研究对象，针对MPF模式长鳍波动推进，采用相位同步PIV技术测量了系泊状态下首、中、尾部不同相位横截面流场，利用100个同相位瞬时速度场进行相位平均计算获得平均速度场，进一步分析了流向涡涡结构及其随相位的演变特征。试验表明：

(1) 随着鳍面的周期性摆动，涡结构会周期性地生成和脱落； 在一个周期内会生成2个涡，分别在左、右最大摆角鳍面附近生成。同时，当鳍面摆动到中垂面附近时，已充分发展的流向涡开始消散；

(2) 中部与首部横截面具有相似的流动结构特征和演化规律，只不过在中部横截面上流向涡数目增加，从鳍面基线向梢部方向，流向涡的旋转方向交替变化；尾部横截面流场结构特征和演化规律与鳍面中部横截面有一定相似性，不同的是在流向涡消散过程中，会伴随产生一股轴向射流；与鳍面首部、中部、尾部横截面不一样，尾流中横截面上的流场结构随鳍面相位的变化不大。尾流中在鳍面下方的两侧形成2个稳定的大尺度流向涡结构，左右基本对称分布，旋向相反；

(3) 在首部鳍面运动过程中，在横截面内流体从四周流向鳍面，并从鳍面梢部向外射出。在中部、尾部横截面流场中射流特征更加明显，且射流主方向在鳍面中矢面左右摆动。在尾流中横截面上鳍面下方两侧的2个稳定的大尺度涡结构之间，形成一股从鳍面梢部向外的垂直射流。

通过对长鳍波动推进流场横截面相位同步的2D-PIV试验与分析，对流向涡结构主要特征及其随相位演变规律有了基本的认识，为长鳍波动推进水动力学机理分析打下基础，也为该种推进方式流场涡结构数值计算方法的验证提供了依据。

[1]王光明, 胡天江, 李非, 等. 长背鳍波动推进游动研究[J]. 机械工程学报, 2006, 42(3): 88-92. Wang G M, Hu T J, Li F, et al. Research on swimming by undulatory long dorsal fin propulsion[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006, 42(3): 88-92.

[2]徐海军, 潘存云, 张代兵, 等. 不同水下仿生推进器性能影响的比较[J]. 机械设计与研究, 2010, 26(1): 93-96. Xu H J, Pan C Y, Zhang D B, et al. Comparative study on the propulsive performance of underwater bionic thrusters with different transmission methods[J]. Machine Design and Research, 2010, 26(1): 93-96.

[3]王扬威, 王振龙, 李健, 等. 形状记忆合金驱动仿生蝠鲼机器鱼的设计[J]. 机器人, 2010, 32(2): 256-261. Wang Y W, Wang Z L, Li J, et al. Development of a biomimetic manta ray robot fish actuated by shape memory alloy[J]. Robot, 2010, 32(2): 256-261.

[4]MacIver M A, Fontaine E, Burdick J W. Designing future underwater vehicles: principles and mechanisms of the weakly electric fish[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2004, 39(3): 651-659.

[5]Willy A, Low K H. Initial experimental investigation of undulating fin[C]. The IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, Edmonton, Canada, 2005.

[6]Low K H. Mechatronics and buoyancy implementation of robotic fish with modular fin mechanisms[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part I: Journal of Systems and Contol Engineering, 2007, 221(3): 295-309.

[7]Shirgaonkar A A, Curet O M, Patankar N A, et al. The hydrodynamics of ribbon-fin propulsion during impulsive motion[J]. J Expt Biol, 2008, 211: 3490-3503.

[8]Rahman M M, Toda Y, Miki H. Study on the performance of the undulating side with various aspect ratios using computed flow, pressure field and hydrodynamic forces[C]//Proc of the 5th Asia-Pasific Workshop on Marine Hydr, Osaka, Japan, 2010.

[9]Rahman M M, Toda Y. Miki H. Computational study on the fish-like underwater robot with two undulating side fins for various aspect ratios, fin angles and frequencies[C]. The International Conference on Marine Technology, BUET, Dhaka, Bangladesh, 2010.

[10]Rahman M M, Sugimori S, Mike H, et al. Braking performance of a biomimetic squid-like underwater robot[J]. Journal of Bionic Engineering, 2013, 10: 265-273.

[11]王兆立, 苏玉民, 杨亮. 黏性流场中鱼类胸鳍的水动力性能分析[J]. 水动力学研究与进展: A 辑, 2009, 24(2): 141-149. Wang Z L, Su Y M, Yang L. Hydrodynamic analysis of the pectoral-fin in viscous flows[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics: Ser A, 2009, 24(2): 141-149.

[12]徐晓锋, 万德成. 金枪鱼自主波动游动的数值模拟[J]. 水动力学研究与进展: A 辑, 2011, 26(2): 228-238. Xu X F, Wan D C. Numerical simulation of tuna undulatory swimming[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics: Ser A, 2011, 26(2): 228-238.

[13]老轶佳, 王志东, 张振山, 等. 摆动柔性鳍尾涡流场的实验测试与分析[J]. 水动力学研究与进展: A 辑, 2009, 24(1): 107-112. Lao Y J, Wang Z D, Zhang Z S, et al. Experimental measurement and analysis on the wake vortex of oscillating flexible caudal fin[J]. Chinese Journal of Hydrodynamics: Ser A, 2009, 24(1): 107-112.

[14]王光明. 仿鱼柔性长鳍波动推进理论与实验研究[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2007. Wang G M. Theoretic and experimental research on propulsion by bionic undulatory fin[D]. Changsha: National University of Defense Technology,2007.

[15]刘芳芳. 基于柔性鳍波动的水下仿生系统推进性能研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2012. Wang F F. Research on flexible undulating fin based biomimetic system underwater and its propulsion[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2012.

[16]张国平, 张军, 翟树成. 长鳍扭波推进PIV试验初步研究[R]. 江苏无锡:中国船舶科学研究中心, 2011.

PIVmeasurementonstreamwisevortexgeneratedbyundulatingfins

Zhang Jun*, Bai Yaqiang, Zhai Shucheng, Zhang Guoping, Xu Lianghao

(National Key Lab on Ship Vibration and Noise, China Ship Scientific Research Center, Wuxi Jiangsu 214082, China)

The Gymnarchus Niloticus Fish (GNF) with long undulating fins generally cruises with high efficiency and extra-ordinal maneuverability while keeping its body for straight line. The flow field around andulating fins are measured by phase-locked PIV in the stationary water. Four cross sections including front part, middle part, after-body and wake flow are measured, respectively. Eight equal spaced phases are measured at each cross section，and one hundred instantaneous velocity fields are phase-averaged analyzed to extract the characteristics of vortex structure at each phase. The results indicate in cross sections the streamline vortexes are periodically generated near the fin tip as the fin swings to nearby maximum angle, and shed from the tip of the fin surface, There are two streamwise vortexes generated during each period at the two side maximum angle. On the other hand, as fin swings to the near mid-sagittal plane in the cross section, the fully developed streamwise vortexes begin to decay, and finally disappear. Meanwhile a high speed jet is generated in the direction from the root to the tip of the fin. Comparing the flow structure in the forepart, middle part and posterior cross sections, it is obvious that the streamwise vortex structure and its evolution with phases are similar in these three sections. From the forepart to the posterior along the shaft axis, the flow structure becomes more and more complicated as waves spread downstream, the jet ejected outward from the fin tip becomes stronger, and its sphene of influence seems enlarged. But the flow structure in the wake is different from the above three cross sections, which is less changed with the wave phases. The two large streamwise vortexes are formed under the fin surface, and stably and symmetrically locate on two sides of the mid-sagittal plane with opposite rotation directions.

bionic propulsion; undulating fins;PIV;vortex structure;streamwise vortex

1672-9897(2017)06-0015-07

10.11729/syltlx20170017

2017-01-25;

2017-08-18

国家自然科学基金(51379193)

*通信作者 E-mail: zhangjuncssrc@163.com

ZhangJ,BaiYQ,ZhaiSC,etal.PIVmeasurementonstreamwisevortexgeneratedbyundulatingfins.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2017, 31(6): 15-21. 张 军, 白亚强, 翟树成, 等. 长鳍波动推进流向涡结构PIV试验研究. 实验流体力学, 2017, 31(6): 15-21.

O352

A

张军(1967-)，男，江苏如东人，研究员。研究方向：仿生水动力学与流动控制。通信地址：无锡市滨湖区山水东路222号(214082)。E-mail: zhangjuncssrc@163.com

(编辑：张巧芸)