[论文解读] Biologically inspired force enhancement for maritime propulsion and maneuvering

Gabriel D. Weymouth|ePrints Soton (University of Southampton)|Sep 21, 2016

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 14被引用 6

一句话总结

本文提出了一种受生物启发的形态可变机制，通过受控涡量操控优化非定常流体力生成，实现高效海面推进与机动。通过利用快速形态变化——如串联拍动翼、翼片缩回和身体收缩——这些系统实现了高达91%的拟推进效率和68%的快速启动效率，显著优于传统固定形态系统。

ABSTRACT

The move to high performance applications greatly increases the demand to produce large instantaneous fluid forces for high-speed maneuvering and improved power efficiency for sustained propulsion. Animals achieve remarkable feats of maneuvering and efficiency by changing their body shape to generate unsteady fluid forces. Inspired by this, we have studied a range of immersed bodies which drastically change their shape to produce fluid forces. These include relatively simple shape- changes, such as quickly changing the angle of attack of a foil to induce emergency stops and the use of tandem flapping foils to generate three times the average propulsive force of a single flapping foil. They also include more unconventional shape-changes such as high-speed retracting foil sections to power roll and dive maneuvers and the use of soft robotics to rapidly shrink the frontal area of an ellipsoid to power 68% efficient fast-start maneuvers or even completely cancel the drag force with 91% quasi-propulsive efficiency. These systems have been investigated with analytics, experimental measurements and immersed-boundary numerical simulations.

研究动机与目标

• 解决传统固定翼和固定螺旋桨海面航行器在高速机动和能效方面的局限性。
• 探究受动物启发的非定常形态可变机制如何在能量损耗最小化的情况下产生大流体力。
• 开发并验证可提升推力、降低阻力并改善海面应用推进效率的简单驱动策略。
• 量化涡量生成与附加质量恢复在实现高性能流体力产生中的作用。

提出的方法

• 采用解析模型、实验测量和浸入边界数值模拟（Lily Pad CFD软件）研究流体-物体相互作用。
• 在结构化笛卡尔网格上采用边界数据浸入法模拟运动与变形物体周围的非定常流场。
• 定义关键无量纲参数，如形态变化数（Ξ）、收缩参数（σ*）、斯特劳哈尔数（St）和雷诺数（Re），以表征性能。
• 研究相位滞后运动（φ = 1.75π）和间距（s = 2c）的串联拍动翼，以增强推力并减少力波动。
• 探索翼片快速俯仰以生成大涡量，并在小于体长20%的距离内实现紧急制动。
• 建立可伸缩与收缩船体模型（如章鱼启发的车辆），以回收流体附加质量能量并实现高推力快速启动。

实验结果

研究问题

• RQ1 与单个翼片相比，通过优化相位滞后和间距的串联拍动翼是否能显著提升推力并减少力波动？
• RQ2 快速形态变化（如翼片俯仰或缩回）在多大程度上可增强流体力生成与机动性？
• RQ3 身体迎风面积的收缩如何影响快速启动机动中流体附加质量的恢复与推进效率？
• RQ4 在利用涡量湮灭或回收流体惯性能量时，可实现的最大拟推进效率是多少？
• RQ5 形态可变机制是否能在高速与高能效工况下实现与传统推进系统相当或更优的性能？

主要发现

• 相位滞后为1.75π、间距为2c的串联拍动翼，其平均推进力可达单个拍动翼的三倍。
• 翼片的快速俯仰使流线型体在小于其长度20%的距离内实现停止，展示了通过涡量生成实现高力紧急制动的能力。
• 具有流线型平面形状的可伸缩翼片产生符号相反的涡量，与束缚涡量相互湮灭，实现阻力抵消，达到91%的拟推进效率。
• 章鱼启发的收缩型车辆实现了2.7 m/s（10 L/s）的峰值速度，并表现出68%的拟推进效率，超过真空中的火箭性能。
• 机动过程中收缩参数σ* > 77，证实粘性扩散被克服，有效实现了流体附加质量能量的回收。
• 动能与喷射功率之比达到峰值53%，与加速系统中理论最优能量回收预测值高度吻合。