【论文推荐】| 机器鲨鱼非对称尾鳍的水动力学特性研究

论文导读与观点概要

1. 研究目的

鲨鱼作为海洋顶级掠食者，其尾鳍形态直接决定了游动能力。虽然现有研究多关注尾鳍面积、展弦比等参数，但对尾鳍非对称性这一显著特征的研究较少。此外，鲨鱼常在海底附近活动，地面效应（壁面效应）对其游动性能的影响也不容忽视。

本研究旨在揭示机器鲨鱼尾鳍结构的非对称性（通过非对称系数R_s表征）如何影响其水动力性能，特别是探究在不同靠壁距离（d_h）和游动频率（f）下，推进力、升力及稳定性的变化规律。

2. 研究方法

3. 研究结果

研究发现，地面效应和尾鳍非对称性对水动力性能有显著的交互影响：

• 当尾鳍靠近地面游动（d_h<1.50C₀ ）时，推进力普遍下降。
• 流场分析显示，地面阻碍了尾涡的扩散，导致尾涡结构紧凑并产生混乱的次级涡，消耗了推进方向的能量。
  

• 推进性能提升： 在地面效应作用下（如d_h=1.05C₀ ），增大非对称系数（Rs ）能有效缓解推进力下降的问题。相比对称尾鳍（Rs=1.0 ），非对称尾鳍（Rs=3.0 ）的推进力系数最大提升了 8%。
• 稳定性下降： 随着Rs 增大，尾鳍产生的升力和翻滚力矩显著增加，导致游动稳定性变差，这种现象在高频游动时尤为突出。
  

• 提高摆尾频率能增加推进力，但同时也会加剧由非对称结构引起的侧向力和翻滚力矩。

4. 结论

通过数值模拟和试验测试的方法研究了尾鳍非对称系数R_s、靠壁距离d_h、游动频率f等参数对其水动力的影响，主要结论如下：

1） 近地面游动将导致尾鳍的推进力下降，增大尾鳍的非对称性有助于缓解推进力下降幅度但同时也降低了游动稳定性。

2） 开阔水域中，提高摆尾频率能有效提高推进力，尾鳍的非对称性对推进力影响较小，但会引起游动稳定性下降，尤其在高频游动状态下。

3）地面效应和尾鳍结构会影响涡街、速度场和鳍面压力分布，从而影响尾鳍的水动力学特性。

相关图表

本文引用格式：谢鸥, 罗继平, 张陈波. 机器鲨鱼非对称尾鳍的水动力学特性研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 151-160.  (XIE Ou, LUO Jiping, ZHANG Chenbo. Study on the hydrodynamic characteristics of asymmetric caudal fins of robotic shark[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 151-160.  (in Chinese)）

作者简介：   

谢 鸥（1983—），男，湖南醴陵人，副教授，硕士研究生导师，主要从事仿生水下机器人和计算流体动力学的研究。E-mail： hnxieou@126.com

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