水下波动推进机器人动力学研究

本书聚焦水下波动推进机器人动力学研究的前沿技术，开展基于冲量原理的波动推进动力学建模关键技术研究，分析波动推进模型下推力和流体冲量之间的基本关系，系统阐述水动力性能的理论模型与数值预报方法，建立波动推进水动力性能预报模型。介绍二维、三维波动推进水动力性能预报与流场演化，优化水下波动推进机器人水动力性能。通过理论分析、数值模拟与实验研究相结合，深入探讨仿生波动推进的运动机制与性能优化方法，为高性能水下波动推进机器人的研发提供理论基础与技术支撑。

序一
序二
前言
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 国内外研究现状分析 3
1.2.1 波动推进机器人研究现状 3
1.2.2 仿生波动推进机制 12
1.2.3 仿生波动推进水动力数值预报 18
1.3 水下波动推进机器人研究存在的主要问题 24
1.4 本书内容安排 26
参考文献 28
第一部分 波动推进理论
第2章 基于冲量原理的波动推进水动力性能 37
2.1 波动推进生物模型 37
2.2 波动推进模型下的冲量理论 39
2.2.1 导数矩变换 39
2.2.2 广义冲量公式 42
2.3 二维波动推进尾流模型 45
2.4 波动推进尾流涡旋模化 49
2.5 推力计算及参数分析 54
2.5.1 二维流场冲量计算 54
2.5.2 平均推力计算 56
2.6 本章小结 60
参考文献 61
第3章 二维线性化波动推进数学模型 63
3.1 引言 63
3.2 波动推进模型下的流场控制方程与边界条件 63
3.2.1 线性化流场模型 63
3.2.2 线性化流场边界条件 65
3.3 波动推进模型下的黎曼-希尔伯特问题与普莱姆利公式 69
3.3.1 标量黎曼-希尔伯特问题与普莱姆利公式 69
3.3.2 奇异边值问题的数学求解 73
3.4 复加速度势函数特性分析 78
3.5 波动推进水动力性能计算 83
3.6 本章小结 89
参考文献 90
第二部分 仿生波动推进水动力学
第4章 二维波动推进水动力性能预报与流场演化 95
4.1 引言 95
4.2 二维波动推进的流场数值模型 95
4.3 二维系牵模型下波动推进水动力性能预报 98
4.3.1 二维系牵模型下运动参数对推进性能的影响 98
4.3.2 二维系牵模型下流场结构分析 106
4.4 二维系牵模型与理论模型结果对比 111
4.4.1 水动力合力 111
4.4.2 水动力功率 114
4.5 二维系牵模型下波动鳍尺度的影响 117
4.6 二维自推进模型下波动推进水动力性能预报 120
4.6.1 二维自推进模型下运动参数对推进性能的影响 120
4.6.2 二维自推进模型下流场结构分析 126
4.6.3 二维系牵模型和二维自推进模型对比 129
4.7 复杂流场非定常效应对二维波动推进水动力性能的影响 131
4.7.1 并列双波动鳍推进水动力性能特性研究 131
4.7.2 水翼尾流对波动鳍推进性能的影响 163
4.7.3 二维波动推进在时变流场下的水动力演化规律 176
4.8 本章小结 189
参考文献 190
第5章 三维波动推进水动力性能预报与流场演化 193
5.1 引言 193
5.2 三维约束浸入边界法 193
5.2.1 数学模型 193
5.2.2 数值策略 195
5.2.3 求解算法可靠性验证 196
5.3 波动运动参数对三维推进性能影响 198
5.3.1 网格模型 198
5.3.2 运动参数对水动力性能的影响 200
5.4 三维波动推进机制和流场涡结构分析 205
5.4.1 三维流场收束效应 205
5.4.2 运动参数对三维流场的影响 209
5.4.3 射流角 212
5.5 二维与三维波动推进特性对比 213
5.6 本章小结 218
参考文献 219
第6章 三维波动推进水动力性能实验 221
6.1 引言 221
6.2 波动推进实验平台设计 221
6.2.1 总体设计 221
6.2.2 样机设计 222
6.3 三维波动推进水动力性能实验测试原理 225
6.3.1 基本实验原理 225
6.3.2 波动基线影响分析 227
6.4 三维波动推进性能变化规律验证 229
6.4.1 推力变化规律验证 229
6.4.2 实验准确性对比 233
6.5 流场可视化结果分析 234
6.6 本章小结 239
参考文献 240
第三部分 波动推进机器人性能
第7章 波动推进机器人水动力性能 245
7.1 引言 245
7.2 波动推进机器人结构设计 245
7.2.1 总体需求设计 245
7.2.2 机器人机械结构设计 246
7.2.3 机器人控制系统硬件设计 252
7.3 波动推进驱动控制优化 260
7.3.1 中枢模式发生器的控制原理 260
7.3.2 基于Hopf振荡器的CPG系统建模与特性 260
7.3.3 基于CPG模型的机器人多模态运动控制 268
7.4 波动推进机器人性能分析 271
7.4.1 波动推进机器人推进机理分析 271
7.4.2 波动推进机器人推力性能预测 278
7.4.3 波动推进机器人转向性能预测 284
7.5 波动推进机器人推进性能实验 287
7.5.1 实验平台设计 287
7.5.2 推力性能实验 289
7.5.3 转向性能实验 291
7.6 本章小结 293
参考文献 293
第8章 波动推进机器人水面稳性分析 295
8.1 引言 295
8.2 波浪理论 295
8.2.1 常见波浪理论 295
8.2.2 波浪理论数值验证 299
8.3 水面稳性理论建模 301
8.3.1 水面稳性理论 301
8.3.2 机器人稳性建模 303
8.4 中部舱体稳性优化 304
8.4.1 中部舱体稳性复原力矩计算 304
8.4.2 稳性复原机理与结果对比 306
8.5 稳性预测 310
8.5.1 静水下稳性预测 310
8.5.2 波浪下稳性变化 314
8.6 波动推进机器人水面稳性实验 316
8.6.1 造浪实验台搭建 316
8.6.2 静水工况下稳性实验 318
8.6.3 波浪工况下稳性实验 320
8.7 本章小结 322
参考文献 322