本發(fā)明屬于水下仿生，涉及一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，適用于指導(dǎo)水下仿生尾鰭擺動推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測試。
背景技術(shù)：
1、水下仿生推進(jìn)技術(shù)是顛覆傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)的新型推進(jìn)模式，其模仿魚類尾鰭或胸鰭運(yùn)動，改變流場狀態(tài)產(chǎn)生有序排列的反卡門渦街，進(jìn)而產(chǎn)生前向的推進(jìn)力，推進(jìn)效率最大可達(dá)90％以上。然而，水下仿生推進(jìn)效率受到推進(jìn)過程推力與阻力無法解耦，推進(jìn)效率評價模型至今難以統(tǒng)一，導(dǎo)致仿生推進(jìn)優(yōu)化效果難以評估。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者嘗試采用數(shù)值模擬手段研究仿生推進(jìn)效率，其在數(shù)值計算過程中，將魚體受到的力進(jìn)行分解，即：將沿魚體頭部方向的力作為推力，沿魚體尾部方向的力作為阻力，進(jìn)而將阻力與推進(jìn)解耦。此方法對推力和阻力進(jìn)行了假設(shè)，并未準(zhǔn)確獲得實(shí)際的推力大小。仿生推進(jìn)效率的試驗(yàn)測試中往往將不擺動時的拖曳阻力作為相同速度游動時的尾鰭推力，這忽略了尾鰭擺動對魚體阻力的影響，導(dǎo)致獲得的尾鰭推進(jìn)效率存在爭議，未形成可靠的尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果測試方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)或相關(guān)技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。
2、為此，本發(fā)明提供了一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，本發(fā)明方案可用于在拖曳水池環(huán)境下開展仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果的試驗(yàn)測量。本發(fā)明解決了水下仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量難題。
3、本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：本發(fā)明提供一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，該方法包括：
4、步驟一、試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計，包括
5、設(shè)計仿尾鰭推進(jìn)試驗(yàn)縮比模型，所述模型從頭部至尾部方向，依次分為魚體、尾柄和尾鰭三部分，所述尾柄和尾鰭的運(yùn)動依照原型驅(qū)動模式進(jìn)行設(shè)計；
6、在模型幾何中心處安裝測力天平，在尾柄與尾柄驅(qū)動電機(jī)之間安裝尾柄力矩測量傳感器，以及在尾鰭與尾鰭驅(qū)動電機(jī)之間安裝尾鰭力矩測量傳感器；
7、步驟二，根據(jù)原型尾柄與尾鰭之間的運(yùn)動配合關(guān)系，確定尾柄運(yùn)動方程和尾鰭運(yùn)動方程，并作為尾柄和尾鰭驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)動輸入；
8、步驟三，將步驟一獲取的模型設(shè)置在拖曳水池拖車上，并整體置入拖曳水池中；
9、步驟四、模擬試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯七M(jìn)狀態(tài)并獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括：
10、控制拖曳水池拖車以設(shè)定速度運(yùn)動，同時模型在驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動下，按照給定的運(yùn)動規(guī)律擺動；
11、實(shí)時記錄尾柄和尾鰭擺動狀態(tài)下測量天平和各測量傳感器的數(shù)據(jù)；
12、判斷測量天平所得拖曳力的大小，若拖曳力均值為正，則減小尾柄和尾鰭擺動頻率；反之，則增大擺動頻率；直至拖曳力均值為零，記錄此時尾柄和尾鰭擺動頻率、尾柄與尾鰭相應(yīng)力矩測量傳感器的數(shù)據(jù)；
13、步驟五、將步驟三模型中的尾鰭更換為優(yōu)化后的尾鰭，并在此基礎(chǔ)上重復(fù)執(zhí)行步驟四，獲取對應(yīng)拖曳力均值為零時的尾柄和尾鰭擺動頻率、尾柄與尾鰭相應(yīng)力矩測量傳感器的數(shù)據(jù)；
14、步驟六、根據(jù)步驟四和步驟五所得數(shù)據(jù)計算仿尾鰭推進(jìn)效率的優(yōu)化效率。
15、進(jìn)一步地，所述設(shè)定速度根據(jù)原型游動速度和仿尾鰭推進(jìn)試驗(yàn)縮比模型的縮尺比確定。
16、進(jìn)一步地，根據(jù)幾何相似和運(yùn)動相似等相似準(zhǔn)則，以及拖曳水池池壁效率，確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比。
17、進(jìn)一步地，所述步驟六具體包括：
18、根據(jù)步驟四所得拖曳力均值為零時的尾柄和尾鰭擺動頻率、尾柄與尾鰭相應(yīng)力矩測量傳感器的數(shù)據(jù)，獲取優(yōu)化前推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率pin0；
19、根據(jù)步驟五所得拖曳力均值為零時的尾柄和尾鰭擺動頻率、尾柄與尾鰭相應(yīng)力矩測量傳感器的數(shù)據(jù)，獲取優(yōu)化后推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率pin1；
20、根據(jù)優(yōu)化前推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率pin0和優(yōu)化后推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率pin1解算仿尾鰭推進(jìn)效率的優(yōu)化效率。
21、進(jìn)一步地，通過下式如下式解算仿尾鰭推進(jìn)效率的優(yōu)化效率：
22、
23、其中，δ為仿尾鰭推進(jìn)效率的優(yōu)化效率。
24、進(jìn)一步地，所述優(yōu)化前推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率和優(yōu)化后推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率的計算方法相同，所述計算方法包括：
25、基于尾柄擺動頻率獲取尾柄繞尾柄轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)動角速度，并基于該轉(zhuǎn)動角速度和尾柄驅(qū)動力矩計算尾柄驅(qū)動功率；
26、基于尾鰭擺動頻率獲取尾鰭繞尾鰭轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)動角速度，并基于該轉(zhuǎn)動角速度和尾鰭驅(qū)動力矩計算尾鰭驅(qū)動功率；
27、將尾柄驅(qū)動功率和尾鰭驅(qū)動功率相加得到推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率。
28、進(jìn)一步地，通過下式基于該轉(zhuǎn)動角速度和尾柄驅(qū)動力矩計算尾柄驅(qū)動功率：
29、pwb_in＝ωwb·mwb
30、其中，mwb為尾柄力矩測量傳感器測得的尾柄驅(qū)動力矩；ωwb為尾柄繞尾柄轉(zhuǎn)動中心的轉(zhuǎn)動角速度；pwb_in為尾柄驅(qū)動功率。
31、進(jìn)一步地，通過下式基于該轉(zhuǎn)動角速度和尾鰭驅(qū)動力矩計算尾鰭驅(qū)動功率：
32、pwq_in＝ωwq·mwq
33、其中，mwq為尾鰭力矩測量傳感器測得的尾鰭驅(qū)動力矩；ωwq為尾鰭相對尾柄的轉(zhuǎn)動角速度；pwq_in為尾鰭驅(qū)動功率。
34、上述技術(shù)方案通過拖曳水池試驗(yàn)環(huán)境下模擬尾鰭擺動，并采集記錄尾柄、尾鰭受力數(shù)據(jù)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)后處理獲得仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果，也即，本發(fā)明給出了在拖曳水池環(huán)境下，模擬尾鰭擺動推進(jìn)模式進(jìn)行推進(jìn)優(yōu)化效果測量的試驗(yàn)方法。本發(fā)明避開了仿尾鰭推進(jìn)推阻解耦困難與推進(jìn)效率定義難題，解決了仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果測量的難題，為仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量提供指導(dǎo)。
1.一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，所述設(shè)定速度根據(jù)原型游動速度和仿尾鰭推進(jìn)試驗(yàn)縮比模型的縮尺比確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，根據(jù)幾何相似和運(yùn)動相似等相似準(zhǔn)則，以及拖曳水池池壁效率，確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，所述步驟六具體包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，通過下式如下式解算仿尾鰭推進(jìn)效率的優(yōu)化效率：
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，所述優(yōu)化前推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率和優(yōu)化后推進(jìn)系統(tǒng)輸入功率的計算方法相同，所述計算方法包括：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，通過下式基于該轉(zhuǎn)動角速度和尾柄驅(qū)動力矩計算尾柄驅(qū)動功率：
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種仿尾鰭推進(jìn)優(yōu)化效果試驗(yàn)測量方法，其特征在于，通過下式基于該轉(zhuǎn)動角速度和尾鰭驅(qū)動力矩計算尾鰭驅(qū)動功率：