Оптимизация кинематики рыбоподобного пловца
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Создание эффективных биомиметических движителей для подводных аппаратов требует глубокого понимания того, как кинематические параметры влияют на гидродинамическую эффективность [1]. В данной работе представлено численное исследование и оптимизация закона движения рыбоподобного пловца, совершающего волнообразные колебания. Целевой функцией выступает квазипропульсивная эффективность, вычисляемая как отношение мощности буксирования к мощности, затрачиваемой на движение в крейсерском режиме [2].
Рассматривается пловец с сечением в форме профиля NACA 0012. Кинематика срединной линии задаётся бегущей волной с полиномиальной огибающей амплитуды. За счет выбора коэффициентов c1, c2, можно определять различные режимы плавания. В данной работе будут рассмотрены скомброидный и угревидный режимы. Гидродинамика описывается уравнениями Навье–Стокса. Численное моделирование выполняется в OpenFOAM с использованием метода динамической сетки и алгоритма PIMPLE. Рассматривается движение с крейсерской скоростью, которая соответствует нулевой средней продольной силе.
Установлено, что при стандартных параметрах угревидный стиль обладает более высокой эффективностью, чем скомброидный, причём максимум для угревидного достигается при длине волны 2, что нехарактерно для природных аналогов. Проведена оптимизация параметров симплекс-методом Нелдера–Мида. Получен новый закон движения, обеспечивающий прирост эффективности более чем на 10% по сравнению с угревидным и почти на 30% по сравнению со скомброидным пловцом, а также существенно более высокую крейсерскую скорость. Трёхмерные расчёты подтвердили устойчивость найденного режима (см. Рис. 1).
