仿生鱿鱼肉鳍扑动推进机理数值研究

在仿生机器鱿鱼的设计制作中,通过肉鳍摆动辅助腕的收缩以及喷水推进的组合,使得鱿鱼可以以多种运动形式进行游泳。为研究鱿鱼肉鳍的扑动推进机理,采用计算流体力学(CFD)方法对生物鱿鱼外形进行等比例数值建模,计算分析鱿鱼肉鳍在不同扑动角度下的水动力特性。在此基础上,通过改变肉鳍占体比例、肉鳍形状等参数,研究不同参数对鱿鱼肉鳍扑动推进性能的影响。结果显示:鱿鱼肉鳍扑动过程中肉鳍上下表面出现明显涡流区与压力差,鱿鱼在该压力差的作用下完成升沉运动与水平运动;当鱿鱼肉鳍占体比例超过0.3时,升沉力与水平推进力均随肉鳍占体比例的增加呈明显上升趋势,而阻力变化趋于稳定,适当增加肉鳍的占体比例可获得更高的扑动推进效率;横菱形肉鳍具有较高的推进效率与较低的游动阻力,在仿生鱿鱼设计中是一种较为理想的选择。研究结果为仿生机器鱿鱼的设计制作提供了计算方法和理论参考。     

倾斜状态对V形网板水动力和周围流场特征的影响

为了探究 V 形网板在各种工作姿态下水动力特性的变化规律, 作者采用数值模拟(computational fluid dynamics, CFD)方法对比了 4 个展弦比(0.4、0.5、0.6、0.7)和 4 个板面夹角(16°、19°、22°、25°)的网板的水动力性能, 遴选出水动力性能最佳的 V 形网板, 并分析其在不同姿态下, 前后倾和内外倾分别为 5°、10°、15°、20°时的水动力系数、周围流场分布和表面压力变化规律, 结果表明：(1)展弦比 λ=0.7、板面夹角 Γ=16°的 V 形网板(13 号网板)的水动力性能最优, 升力系数在冲角为 37.5°时最大, 为 1.482, 冲角为 10°时扩张效率最大。(2)随着冲角的增大, 13 号网板迎流面的压力逐渐增大, 网板迎流面和背流面的速度差亦呈增大趋势。(3) 13 号网板发生不同程度的前后倾或内外倾时, 升力系数降低, 阻力系数则随着倾角的增大而减小。(4)当网板发生内外倾斜时, 随着倾角的增加, 迎流面压力中心向网板前端移动, 网板中心面后涡旋变化不明显; 当网板前后倾斜时, 网板迎流面压力分布变化明显, 即随着倾角的增加, 压力中心分别逐渐向前端上下两侧移动, 并且网板中心面后涡旋逐渐变小。本研究结果可以为预测不同工作姿态网板水动力特性变化, 调整网板稳定性提供科学参考。     

六边形开口方形人工鱼礁阻力系数数值模拟与模型试验比较研究

为了对4种不同开口大小的六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度下数值模拟和水槽模型试验的阻力系数进行对比验证，分别利用水槽模型和数值模拟试验方法对4种不同开口比（γ_ty=0.0625，0.14，0.25，0.39）六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度（θ=0°，15°，30°，45°）状态下的阻力进行测定，并计算两种方法的阻力系数。结果表明：（1）在数值模拟和水槽模型试验中，人工鱼礁模型阻力均随着开口比的增大而减小；礁体迎流角度的变化可改变礁体阻力，且在4种迎流角度下，人工鱼礁阻力在θ=30°时最大。（2）人工鱼礁数值模拟与水槽模型试验中，当θ为15°、30°和45°时，阻力系数均随着开口比的增加而增加，具有明显的线性关系，且阻力系数在迎流角度θ=30°时最大。（3）数值模拟与模型试验阻力的相对误差在0.12%~17.18%，平均误差7.43%；礁体阻力系数的相对误差在0.03%~14.64%，平均误差5.26%。阻力及阻力系数误差均在20%以下。水槽模型试验与数值模拟阻力和阻力系数相关系数R分别为0.99和0.80，P<0.001，具有极强的相关性。因此，利用数值模拟精细化研究人工鱼礁水动力性能是可行的。     

六边形开口方形人工鱼礁水动力性能模型实验

为了研究六边形开口方形人工鱼礁阻力系数和侧向力系数与迎流角度、开口比之间的关系，利用水槽模型试验对4种开口比（γty = 0.0625、0.14、0.25、0.39）六边形开口方形人工鱼礁在4种迎流角度(θ = 0°、15°、30°、45°)下的阻力、侧向力进行测定，并计算其阻力系数和侧向力系数。结果表明：1. 六边形开口方形礁体模型阻力Fx(30°) > Fx(45°) > Fx(15°) > Fx(0°)，侧向力Fy(30°) > Fy(15°) > Fy(45°) > Fy(0°)；礁体模型阻力Fx(30°)是Fx(0°)的1.28 ~ 1.72倍，侧向力Fy(30°)是Fy(0°)的2.8 ~ 11.1倍。迎流角度对礁体模型的阻力以及侧向力可产生较大影响。2. 4种开口比和4种迎流角度下，礁体模型阻力系数CD变化范围为0.98 ~ 1.53。阻力系数CD(30°) > CD(15°) > CD(45°) > CD(0°)，阻力系数CD(30°)与CD(0°)比值最大可达1.26倍；3. 4种开口比和4种迎流角度下，礁体模型侧向力系数CL变化范围为0.001 ~ 0.21。侧向力系数CL(30°) > CL(15°) > CL(45°) > CL(0°)，侧向力系数CL(30°)与CL(0°)相比最大可达3.5倍。4. 当θ = 30°时，不能忽视侧向力对礁体模型的作用力。     

东海近海蟹笼网目尺寸对三疣梭子蟹的选择性

不断壮大的东海近海笼壶渔业对三疣梭子蟹（Portunus trituberculatus）等甲壳类资源造成了巨大的压力，实施养护幼蟹的管理措施已成为渔业管理者和生产者的共同呼声。本研究通过海上对比试验，分析了放大网目尺寸对蟹笼渔获效率的影响，运用SELECT模型估算了蟹笼对三疣梭子蟹的尺寸选择性，结合混合影响模型探讨了作业时间和可捕群体对选择性分析的影响。结果显示，对照蟹笼（网目尺寸32.0 mm）与试验蟹笼（网目尺寸分别为52.3 mm和59.7 mm）的三疣梭子蟹渔获甲宽分布存在显著性差异；SELECT模型拟合结果显示试验蟹笼与对照蟹笼的相对作业强度无显著性差异，网目尺寸分别为52.3 mm和59.7 mm的试验蟹笼对三疣梭子蟹的50%选择甲宽（CW₅₀）分别为86.9 mm和90.9 mm，选择范围分别为15.9 mm和9.2 mm。试验蟹笼的CW₅₀远未达到浙江省等当前的最小可捕尺寸规定，表明蟹笼渔业中仅依靠放大网目尺寸可能难以实现幼蟹的有效释放。结果分析显示，在此次试验中作业时间和可捕群体的数量对蟹笼的选择性没有显著性影响。     

鱼类尾鳍推进机理及游泳能力影响参数分析

鱼类以其高效灵活的游泳能力成为生物学家与仿生学研究者长期以来的重要研究对象。本文选取以尾鳍推进游泳方式的鱼类为研究对象,构建仿生鱼几何模型与运动控制模型,利用计算流体力学方法（CFD）结合动网格技术,对其游泳行为进行数值模拟,研究分析其尾鳍摆动的推进机理,并在此基础上通过改变尾拍频率、摆动幅值、鱼体体波波长及鱼体体型等参数,结合鱼类的突进运动、游泳方式及体型进化等生物学特性探究不同参数对鱼类游泳能力的影响规律。研究结果表明：鱼类尾鳍摆动时尾部流场中形成的反卡门涡街是推进力的主要成因;尾拍频率和摆动幅值的增加,可使鱼类在短时间内获得较高的突进速度;当λ=0.75L,a(x)max=0.1,为获得1L/s的游泳速度,尾拍频率需达到2Hz左右;鱼体摆动时体波波长（λ）的改变将引起游泳方式的变化,当λ达到0.75L左右,鱼体可以0.5L/s的速度向前游动,且推进力随体波波长增加逐渐增大;细长体型鱼类相比头大身小体型鱼类游动时产生的压差阻力小,因此在相同的尾鳍推进模式下能够获得更大的推力。本文的研究结果可以为仿生鱼水下航行器的快速性优化设计提供一定的参考。     

双开缝矩形曲面网板水动力性能及影响参数研究

为满足渔业现代化的发展需求,渔具的改良是其不可或缺的一部分,而网板是提供拖网网衣水平张力主要属具。采用矩形曲面网板有利于提高网板的升力系数和升阻比,而网板开缝有利于减小网板的背面涡流,增加网板的水动力性能,提高网板操作稳定性。为研究小型拖网渔船网板的水动力性能,通过数值模拟的方法,在其他参数一定的情况下,采用控制变量法控制双开缝矩形曲面网板的速度、开缝尺寸以及展弦比等参数的单一变化,研究其对拖网网板水动力性能的影响规律。数值计算结果表明:该网板升力系数和升阻比随冲角的增大呈先增后减的趋势,最佳升阻比出现在冲角为10°左右的时候;速度对网板水动力性能无显著影响;升力系数随开缝尺寸的增加总体呈上升趋势,当开缝尺寸大于50 mm时,升力系数无显著变化,升阻比随开缝尺寸增大总体呈先增后减的趋势;不同展弦比的网板在升力系数达到最大时对应的最佳冲角随展弦比的增加而逐渐减小;同时,升力系数峰值随展弦比的增加呈先增后减的趋势,当展弦比为0.6左右时,升力系数的峰值达到最大。研究结果可为同类型的小型拖网渔船拖网网板的结构优化设计提供更加可靠的参考。