● 摘要
鱼类通过尾部和尾鳍的拍动来产生流体作用力，以此提供游动所需要的主要动力。其中的流体力学机理涉及到复杂流动的三维效应和非定常效应，因此研究此类问题的流体力学实验较为复杂和困难，而通过实验手段获得尾鳍摆动的尾迹中整个非定常三维流动结构、时空演化及其对应的流体作用力的研究成果，至今还未有正式的文献报道。本论文针对以上问题对仿生机器鱼模型（以下简称机器鱼模型）摆动产生的非定常三维流动展开了相应的实验研究。首先在实验室已有的工作基础上，对仿生流体力学实验平台及其相关技术进行了进一步的研究和建设。该实验平台包括五个子系统：机器鱼模型运动模拟系统、染色液流动显示系统、数字式体视粒子图像测速（DSPIV）系统、张线式水下天平测力系统和同步控制系统。DSPIV系统采用了先图像几何校正后空间三维标定的处理过程，利用了基于平面样条函数的算法进行图像几何校正，能较高精度地测量一个切面上的三分量速度场；张线式水下天平测力系统的独特支撑方式和内嵌式天平对流场和受力的测量影响都比较小，能有效地支撑模型运动和测量流体作用力，实验结果表明，该测力系统适合于机器鱼等动态模型的测量实验。这些子系统在同步控制系统的统一控制下，结合锁相技术以及特殊的实验布局，对尾鳍摆动产生的非定常三维流动能进行多途径的同步测量，不仅重构出全流场观测空间的三维流动结构及其周期性的时空演化，还建立起流动结构与流体作用力在时间历程上的对应关系。通过对染色液流动显示、DSPIV测量和同步测力结果的定性和定量分析，得到以下几点主要的研究成果：1、当机器鱼模型在来流速度为0.1m/s，摆动频率为0.5Hz，尾部和尾鳍摆动振幅分别为130和150，两者摆动相位差为750的情况下，首次利用DSPIV系统定量地测量到尾鳍摆动产生的三维链状涡环结构以及它周期性的产生、发展过程。迄今为止，还未见到其他相关实验结果的报道。2、测量得到的流动结构的三维时空演化结果表明：尾鳍摆动的每个周期都会交错地产生一对三维涡环结构S-H（其中，S为摆动起动阶段产生的后缘涡，H为摆动减速停止时产生的后缘涡），分布在摆动对称面的两侧；每半个摆动周期，涡环结构S-H的生成和发展可以分为四个阶段：S阶段，反发卡涡阶段，H阶段和S-H阶段；两个涡环S-H之间通过一对横跨对称面的旋涡T相互联系，从而构成链状结构；当尾鳍摆动时，产生的前缘涡L不脱落，并不断地为旋涡S和T输送涡量；当尾鳍摆动转向时，前缘涡L将脱落，并与后缘的涡量合并，生成下半个周期的旋涡S。3、利用张线式水下天平测力系统同步测量得到的摆动推力和侧向力结果表明：每摆动半个周期，推力值呈“W”型变化，侧向力值呈振荡型的下降趋势变化；摆动产生的时均推力系数为0.62，最大推力系数为3.0。4、结合流动显示、DSPIV测量和流体作用力测量的结果，首次直接建立了流动结构和流体作用力之间的对应关系：当机器鱼尾部摆动到对称面附近时，由于旋涡S的生成和附着，尾鳍将产生最大的推力和侧向力；当尾部摆动到两边的极限位置时，由于旋涡H的生成和附着，尾鳍将产生次高峰值的推力。