振荡鳍与脉冲射流复合驱动混合水下机器人自推进水动力学研究

《Biomimetics》：Self-Propulsion Hydrodynamics of a Hybrid Underwater Robot Combining Oscillating-Fin and Pulsed-Jet Actuation

　　

本研究探讨一种将四个振荡鳍单元与脉冲射流驱动相结合的水下机器人自推进水动力学。研究建立数值框架，耦合三维非定常计算流体动力学（CFD）、动态网格和纵向自推进动力学，用于平行（PS）与圆周（CS）鳍运动布置。仅鳍推进提供基线，以评估振幅效应和射流辅助作用。增大振荡振幅可提高两种布置中的稳定游泳速度U_stable，其中CS保持更高的基线速度。在混合推进下，中心射流夹带并拉伸鳍尾流，重组涡结构并重新分布压力场。在CS模式中，振荡振幅为20°、25°和30°时，平均游泳速度提升分别约为145.5%、92.1%和65.3%，表明脉冲射流辅助的收益依赖振幅。在加速区间内对所研究振幅取平均，PS和CS模式的正向流向冲量分别增加约116.9%和117.6%，推进冲量有效性分别增加2.9和1.6个百分点。这些冲量度量描述水动力载荷而非能量效率。结果与直接射流动量输入伴随非定常鳍–射流相互作用相一致，并为混合水下推进系统的构型设计与参数选择提供水动力依据。

研究背景方面，水下观测与检测日益依赖集成多模态感知、视觉评估、信息处理和推进能力的自主系统；生物游泳者通过摆动附肢和周期性排水提供推进思路，机器人研究也发展了多执行器、多鳍推进及射流推进方案。结构运动与流体载荷关系是仿生推进的核心，数值研究可揭示运动参数对推进的影响。多推进器研究已表明鳍间水动力相互作用依赖几何与时间，射流推进则引入动量输入分布与时序依赖；但现有射流推进研究多将射流视为独立推进机制，对于脉冲射流在四个振荡鳍已形成的非定常流场中如何改变鳍尾流、压力场和流向载荷尚不清楚。性能比较还需区分水动力载荷、游泳运动和能量消耗。因此，研究人员建立三维非定常CFD与纵向自推进动力学耦合模型，比较PS与CS鳍运动布置及仅鳍基线，考察振幅效应和射流辅助，以连接鳍运动学、鳍–射流流动相互作用与自推进性能，为混合推进系统构型设计和参数选择提供水动力依据。

关键技术方法方面，构建三维非定常计算流体动力学（CFD）与纵向自推进动力学耦合框架，采用任意拉格朗日–欧拉（ALE）描述刚性鳍连杆运动与褶皱水腔连续变形；用非定常雷诺平均Navier–Stokes（URANS）方程和剪切应力输运（SST）k-ω湍流模型闭合；通过用户自定义函数（UDF）中的DEFINE_CG_MOTION与DEFINE_GRID_MOTION分别施加连杆转动和水腔网格运动；以压力和黏性剪切积分获得纵向流体力并显式更新速度与位置；开展12.89、24.05、40.47百万网格及0.01T_i、0.005T_i、0.0025T_i时间步敏感性检验，采用标准网格与0.005T_i。本研究未涉及样本队列，模型尺度按工程原型而非生物几何缩放。

研究结果中，3.1 Baseline Self-Propulsion Hydrodynamics Under Oscillating-Fin Propulsion：研究人员通过仅由四个振荡鳍单元驱动的自推进响应建立基线，在PS和CS模式下比较A_max=20°、22.5°、25°、27.5°、30°，得出两种模式下稳定游泳速度均随A_max单调增加，PS约从0.070 m/s增至0.097 m/s，CS约从0.078 m/s增至0.112 m/s；CS在整个振幅范围内速度更高。稳定时间呈构型依赖：PS在较小振幅变化不大、较大振幅明显缩短，CS在较大振幅缩短趋饱和。稳定区间净流向水动力F_x周期性正负交替，随A_max增大而幅值增大，周期平均接近零，与平均推进作用平衡阻力相一致。

3.2 Vorticity and Pressure Evolution Under Hybrid Propulsion：通过比较仅鳍推进、仅射流推进和混合推进的瞬时z涡量场，以及混合推进下涡量、压力和速度矢量/单位质量动能场随时间的演化，得出鳍摆动在鳍缘附近产生正负涡量并向下游脱落，仅射流产生受相反符号剪切层包围的集中中心尾流；混合推进中发展中中心射流夹带并拉伸鳍尾流，其剪切层接近鳍生成涡，伴随邻近涡结构重分布和下游压力场重新分布，局部高动能区集中于鳍尖边缘和射流核心。原文指出这些场提示存在通过尾流重组和鳍载荷重分布实现水动力协同的可能，但当前证据仅定性识别该相互作用机制，其对周期平均推进增益的净贡献仍需通过分量载荷或动量收支分析量化。

3.3 Self-Propulsion Enhancement Through Pulsed-Jet Assistance：研究人员在CS模式A_max=20°、25°、30°下比较仅鳍与混合推进的速度历史，并在3.2–6.4 s（一个完整脉冲射流周期和两个鳍摆动周期）积分净流向水动力，得到正向流向冲量I⁺和推进冲量有效性η_I。结果显示混合推进速度在启动后高于对应仅鳍结果，平均速度提升分别约为145.5%、92.1%、65.3%，相对收益随振幅增加而降低；速度历史表现为脉冲相关加速，随后速度下降或变化减缓。跨振幅平均，PS和CS的I⁺分别增加约116.9%和117.6%，η_I分别增加2.9和1.6个百分点；这些量描述积分水动力载荷幅度和符号分布，而非能量效率。两种构型射流均提高游泳速度，鳍布置决定基线性能。

讨论部分总结：原文强调速度或推力增加本身不能证明能量收益，η_I不是基于功率的效率；涡量、压力和速度场提供互补视角，射流与鳍形成不同但相互作用的流体加速、尾流变形和压力重分布区域；观察结果与直接射流动量输入伴随非定常鳍–射流相互作用一致。研究结论部分翻译如下：研究人员建立了将四个振荡鳍单元与脉冲射流驱动相结合的水下机器人三维非定常CFD与自推进动力学耦合模型，并先建立无射流辅助下两种鳍运动构型的基线水动力响应。在所测试条件下，振荡振幅是控制稳定游泳速度的关键运动学参数；A_max从20°增至30°时，PS模式速度约从0.070 m/s增至0.097 m/s，CS模式约从0.078 m/s增至0.112 m/s，CS模式在整个振幅范围内保持更高绝对游泳速度。稳定时间呈构型依赖响应：PS模式在较小振幅变化不大、较大振幅显著缩短，CS模式在较大振幅缩短趋于饱和。在稳定区间，净流向水动力周期性正负交替，随A_max增大而幅值增大，其周期平均接近零，与纵向自推进中平均推进作用平衡水动力阻力一致。脉冲射流辅助显著改变瞬态游泳响应和周期水动力载荷；在CS模式中，相对于对应仅鳍基线，20°、25°、30°时平均自推进速度分别增加约145.5%、92.1%、65.3%，表明射流辅助相对收益随振荡振幅增加而降低。速度历史表现为明显脉冲相关加速，随后速度下降或变化减缓。在加速区间，冲量计算给出PS和CS模式I⁺平均增加约116.9%和117.6%，η_I分别增加约2.9和1.6个百分点；这些量描述积分水动力载荷幅度和符号分布变化。流场显示发展中中心射流夹带并重组振荡鳍脱落剪切层和涡，同时沿轴向重新分布下游压力场；这些观察与直接射流动量输入伴随非定常鳍–射流相互作用一致。对于所考察两种构型，鳍布置决定基线游泳性能，而脉冲射流辅助在两种情况下均提高游泳速度；结果为在当前数值框架内比较鳍构型和驱动参数提供定量水动力依据。本分析聚焦所研究模型尺度下对称纵向自推进，结论应在此建模范围内解释，因为未考虑完全耦合六自由度效应；在显著不同尺度下，Reynolds数变化可能影响边界层发展、流动分离和尾流相互作用；当前不可压缩单相模型未表示空化和射流声学效应，因此所报告速度和冲量增强特定于所研究工况。未来工作将把框架扩展到转向和完全耦合多自由度运动；另行实验研究将评估执行器性能、机械输入功率和自由游动原型行为，并进行系统测量不确定度评估及与数值预测比较；尺度效应、空化和声学特性也将考虑。