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鱼类游动本身是个很复杂的流体力学问题,蕴含着深刻的流体力学机制,对其进行深入了解,会对水下航行器及飞行器的设计有很大的启发,并能有助于一些实际工程问题的解决,如研究如何改善水下航行器的推进效率及如何利用摆动翼减少飞机的阻力等等。本文数值模拟了修科模式鱼类游动时鱼体周围的二维及三维非定常流场,并以此对鱼类波状摆动游动的推进机理,即涡控制方式进行了研究。
本文建立了以修科模式鱼类游动为样本的简化二维及三维鱼体运动模型。由于鱼类游动从流体力学角度考虑为一个非定常粘性流动问题,故本文以N-S方程为主控方程,利用无限插值网格方法生成鱼体运动各状态的结构网格,结合格心有限体积空间离散格式,B-L湍流模型和双时间的时间推进方法,开发了非定常流场的二维及三维求解程序;其中子迭代的时间推进采用了五步Runge-Kutta方法,并应用了当地时间步长、隐式残值光顺等加速收敛措施。并对二维求解程序进行了算例验证。
通过计算得出了鱼类游动时各状态的流场信息以及总体受力情况。结合结果对鱼类游动时反卡门涡街的形成和鱼体推力的产生机理进行了分析,并对不同斯特哈尔数对推力的影响进行了研究。结果表明:非定常N-S方程数值方法能够正确模拟鱼体运动时的流场和反卡门涡街的形成机理;反卡门涡街的形成是鱼体游动时产生推力的根本原因。