[發明專利]一種基于CFD和MLP的仿生魚水動力預測方法

在審

• 申請號: 202111344160.4
• 申請日: 2021-11-15
• 公開（公告）號: CN114065663A
• 公開（公告）日: 2022-02-18
• 發明（設計）人: 劉繼鑫;于菲;何波;嚴天宏
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/23;G06F30/15
• 代理公司: 青島匯智海納知識產權代理有限公司 37335
• 代理人: 王丹丹

1.一種基于CFD和MLP的仿生魚水動力預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟A、建立自推進運動模型：考慮仿生魚的頭部小幅擺動，對初始模型進行優化，在振幅包絡線中增加常數項，為實現在t＝0時刻啟動的自推進運動，在行波函數前增加時間系數，優化的自推進模型表示如下：

y(x,t)＝[1-1/(1+10t)](c₀+c₁x+c₂x²)sin(kx+ωt)

式中，y是橫向波動位移；x是沿軸向的位移；t是時間；c₀是包絡線的常數項，c₁和c₂分別是振幅線性包絡和二次包絡的系數；k是行波的波數，λ代表波長，k＝2π/λ；f表示波動的頻率，ω＝2πf；1-1/(1+10t)是時間系數；

步驟B、數值模擬并構建數據集：根據所建立的自推進運動模型，基于CFD對仿生魚的游動進行數值模擬，根據數值模擬結果，基于輸入參數和輸出參數構建數據集；

步驟C、建立水動力預測模型及驗證：基于MLP建立水動力預測模型，并根據步驟B中構建的數據集對模型進行訓練和測試，驗證預測模型的準確性和泛化能力。

2.根據權利要求1所述的基于CFD和MLP的仿生魚水動力預測方法，其特征在于：所述步驟B具體包括以下步驟：

步驟B1、構建仿生魚二維游動幾何模型：確定前景幾何模型和背景流域，仿生魚為前景，流域為背景，前景與背景相重合構成二維游動幾何模型；

步驟B2、劃分網格：采用重疊網格法對步驟B1中建立的二維幾何模型進行網格劃分，然后進行網格獨立性驗證以消除網格尺寸給仿真結果造成的影響，確定理想的網格參數；

步驟B3、融合模型：根據用戶自定義程序將二維游動幾何模型和自推進運動模型融合在一起，并定義波動模式和關鍵參數，將二維不可壓縮非定常Navier-Stokes方程作為控制方程；

步驟B4、數值模擬：確定變量并設置邊界條件，調用并編譯用戶自定義程序，確定求解方法、時間步長、模擬時間后進行數值模擬計算并記錄仿真結果，研究變量參數對水動力的影響。

3.根據權利要求2所述的基于CFD和MLP的仿生魚水動力預測方法，其特征在于：所述步驟B1中，具體的：構建前景幾何模型采用NACA0012翼型作為魚體，以翼型弦長為魚體中線，采用二次函數描述橫向波動的幅度；建立二維矩形背景流域，前景模型與背景流域相重合。

4.根據權利要求2所述的基于CFD和MLP的仿生魚水動力預測方法，其特征在于：所述步驟B2中，采用重疊網格法對二維幾何模型進行網格劃分并進行網格獨立性驗證，具體包括：

(1)分別對前景區域的邊線和魚體輪廓線的元素尺寸進行限定，魚體輪廓添加邊界層并確定首層高度和層數，計算雷諾數Re和常量y⁺的數值；

式中，ρ表示流體的密度，V表示仿生魚的迎流速度；L是魚體的軸向長度；μ表示流體的動力粘度；υ表示流體的運動粘度；h_f表示邊界層首層高度；

(2)背景區域的面網格劃分方法采用四邊形劃分，帶有魚體邊界層的前景網格是非結構化的，而背景網格是結構化的；

(3)網格進行三種水平的劃分，背景網格的尺寸保持一致，僅改變前景網格及魚體網格，三種網格的仿真參數保持一致，進行網格的獨立性分析。

5.根據權利要求2所述的基于CFD和MLP的仿生魚水動力預測方法，其特征在于：所述步驟B3中，在用戶自定義程序中定義變量參數及波動模式，推力由身體后部和尾部波動產生，輸入參數包括頻率、波長和頭部振幅，根據不同時刻的推力實時計算前進的加速度、速度和位移，輸出參數包括速度、位移和加速度，確定輸出參數的記錄及輸出方式。