[论文解读] Bio-inspired underwater propulsors

Tyler Van Buren, Daniel Floryan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 29, 2018

Micro and Nano Robotics被引用 4

一句话总结

本文通过分析生物游泳机制——振荡式、波浪式、脉冲喷射式和阻力型——提出仿生水下推进系统，表明当采用瞬时暴露、高阻力的形状（如半圆柱体）进行优化时，阻力型推进可实现高速与高效率。主要贡献在于提出一种新型两栖车辆设计，其轨道上配备弹簧加载的瞬时暴露半圆柱体推进器，实现高推重比，并支持陆地与水面双模式运行。

ABSTRACT

Here we present a general overview of bio-inspired propulsion. We identify the major types of aquatic swimmers (oscillatory, undulatory, pulsatile, and drag-based) and break down their mechanisms for thrust production (drag-based, lift-based, added mass, and momentum injection). For each swimmer, we (1) discuss wake characteristics; (2) derive expressions for thrust and efficiency; and (3) design a specific bio-inspired aquatic vehicle concept. This document will be a book chapter, which at the moment is unpublished.

研究动机与目标

• 识别并分析高性能生物游泳技术背后的物理机制，为工程设计提供灵感。
• 挑战阻力型推进本质上低效的假设，证明其在高速、高效率水下航行器中的潜力。
• 设计一种新型两栖水下车辆，利用阻力型推进与瞬时高阻力推进器，实现陆地与水面双模式运行。
• 通过分析附加质量、动量注入及相位锁定的俯仰/升降运动等推力生成机制，优化推进效率。
• 为下一代水下航行器提供一种设计框架，整合生物原理，但不严格受限于仿生学形式。

提出的方法

• 根据推进机制将水下游泳者分为四类：振荡式（如金枪鱼）、波浪式（如鳗鱼）、脉冲喷射式（如水母）和阻力型（如海龟）。
• 分析四种推力生成机制：阻力型、升力型、附加质量力和动量注入，推导稳态阻力与推力平衡的方程。
• 应用阻力型推力方程 $ F_d = \frac{1}{2} \rho U_\infty^2 A C_D $ 建模钝体产生的力，强调迎风面积与阻力系数的作用。
• 推导速度比效率 $ \eta_s = \frac{1}{1 + \sqrt{\xi}} $，其中 $ \xi = \frac{C_{D_b} A_b}{C_{D_p} A_p} $，用于量化划桨系统中的系统效率。
• 设计一种概念性两栖车辆，其履带结构内嵌弹簧加载的半圆柱体推进器，通过瞬时暴露于流体中，最大化短时推力阶段的阻力。
• 采用约270°相位差的相位锁定俯仰与升降运动以增强升力型推力，并引入柔性设计以提升振荡系统中的效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过优化阻力型推进，实现高速与高效率的水下航行器，以反驳其本质低效的普遍认知？
• RQ2 瞬时阻力型推进器的最优几何与动力学构型为何，才能最大化平均推力与系统效率？
• RQ3 相位锁定的俯仰与升降运动如何影响振荡游泳者中的推力与效率？理想的相位差是多少？
• RQ4 柔性在提升仿生推进器推力与效率方面发挥何种作用，特别是在振荡与波浪式系统中？
• RQ5 单一车辆设计能否通过可变推进器暴露方式，有效实现陆地与水面推进的无缝转换，且基于统一的阻力型机制？

主要发现

• 当采用瞬时暴露的高阻力形状（如半圆柱体）时，阻力型推进可实现高推力与高效率，挑战了阻力型系统效率低下的普遍认知。
• 理论系统效率 $ \eta_s = \frac{1}{1 + \sqrt{\xi}} $ 表明，当推进器具有高阻力与小迎风面积，且车辆本身阻力低时，可实现高效率。
• 准二维形状产生的阻力接近低展弦比三维形状的两倍，表明平面几何在给定尺寸下可最大化阻力。
• 限制瞬时启动后的流动发展时间可提升平均推力，表明短时、高加速度的推力阶段优于稳定运动。
• 在振荡系统中，俯仰与升降运动之间约270°的相位差可最大化推力与效率，通过最小化最大迎角实现。
• 所提出的两栖车辆设计支持双模式运行：履带上的暴露半圆柱体可在水中实现高阻力推进；翻转车辆后可实现陆地移动，且可通过整流罩设计提升水下流体动力学性能。