具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

一种仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置，属于仿生流体力学领域。包括平板支架、实验台和透明水槽，平板支架下方设有六分力天平，六分力天平通过承力铝杆与实验台连接，六分力天平测量实验台在各个方向力和力矩的值。实验台上设有一个齿轮组和一个可以精确控制的步进电机。齿轮组中第一个齿轮连接步进电机，其为主动轮，其余四个齿轮为从动轮，从动轮通过连杆与仿生柔性鳍连接。通过控制步进电机，可以调节柔性鳍的运动频率。仿生柔性鳍是由柔性材料制作而成。它具有黄貂鱼胸鳍形状，横截面为NACA0020翼型。仿生柔性鳍上方设有消波板，减少自由液面对于柔性鳍尾流中涡系的干扰，保证了测量结果的准确性。透明水槽左侧连接水泵，通过调节水泵的转速来控制水流的大小。本发明通过改变柔性鳍的运动频率、水流速度，测量柔性鳍在不同斯托罗哈数、雷诺数下的推力、输出功率和推进系数。本发明还可以调节齿轮间的相位差，测量柔性鳍在不同运动模式(摆动到波动)下，上述水动力性能参数。另外，本发明的柔性鳍两侧弦长中间位置设有颜料释放口，在柔性鳍运动时，颜料会向水中扩散，实现鳍周围流场的可视化。本发明提供了一种操作简便、成本低廉、测量准确的仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置。本发明采用小型步进电机和齿轮组带动柔性鳍运动，六分力天平进行测量，鳍表面播撒颜料的方案，结构简单，易于测量仿生柔性鳍的水动力性能并可视化周围流场。

结合图1和图2，一种仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置布置为：平板支架1，一个支撑框架，将整个实验装置悬挂起来。平板支架1下方设有六分力天平2，六分力天平2的主要作用是测量实验台在各个方向力和力矩的值。实验台5通过承力铝杆3与六分力天平2连接，实验台5必须平行于平板支架1，可以显著提高六分力天平力和力矩测量准确。实验台5上的空间主要为了布置一个齿轮组6和一个步进电机4。步进电机4可以精确控制其转速，并且可以得到其输入功率。实验台5上设有一个步进电机4和一个齿轮组6，步进电机转速可以精确控制。齿轮组6包括五个齿轮，一个主动轮和四个从动轮，齿轮组6内的五个齿轮沿透明水槽方向布置，依次啮合，主动轮与步进电机4相连，每个从动轮都与一个铝制连杆7相连。齿轮组6上缘设有螺栓，便于与铝制连杆7连接，齿轮的初始相位可调。仿生柔性鳍12置于透明水槽8内部。铝制连杆7沿仿生柔性鳍12的横截面垂直嵌入。仿生柔性鳍12在透明水槽8内部，柔性鳍的弦长与透明水槽8方向平行。

结合图1和图2，仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置的运动方式为：在步进电机4的转动下，齿轮组6中从动轮与铝制的水平连杆会将圆周运动转换为近似正弦的往复直线运动。铝制的垂直连杆为会将此运动传递给柔性鳍12，实现柔性鳍的周期运动，有效模拟黄貂鱼胸鳍运动。

结合图2和图4，仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置的改变参数方式为：控制步进电机4的转速，可以调节柔性鳍12的运动频率，进而改变柔性鳍的斯托罗哈数。改变齿轮组的相位差，可以调节柔性鳍的运动模式，从摆动到波动。如果柔性鳍12的弦长方向小于一个推进波长，是摆动模式，大于一个推进波长，是波动模式。透明水槽8左侧连接水泵11，右侧安装有排水孔10，可通过调节水泵11的转速来控制水流的大小。调节水流的大小，可以调改变柔性鳍的雷诺数大小。

结合图1和图2，仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置的水动力参数读取方式为：通过六分力天平2得到各个方向的力和力矩，步进电机可以读出其输入功率得到功率，水流大小可以通过水泵示数读出。

结合图1和图2，仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置的一些消除误差方式为：仿生柔性鳍12上方设有消波板9，且贴近仿生柔性鳍12横截面，消波板9可以阻止透明水槽8的自由液面产生波浪。

结合图2和图3，仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置的可视化流场方式：仿生柔性鳍12两侧弦长中间位置设有颜料释放口，分别储存红、绿两种颜色的颜料，在柔性鳍运动时，颜料会向水中扩散，实现鳍周围流场的可视化。

结合图2和图3，仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置的可视化流场观察方式：透明水槽8，水槽透明方便观察和拍摄柔性鳍12周围的流场。

具体过程是：

1)仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置按照图1和2安装完毕。

2)齿轮组中的相位差按照实验方案设置完毕。

3)将六分力天平、步进电机、水泵供电。

4)按照实验方案中的柔性鳍运动频率设置步进电机的转速。设置完毕后，启动整个实验装置。

5)首先需要测量柔性鳍在此斯托罗哈数和相位差下，10个周期内在空气中运动时的功率。待装置柔性鳍运动稳定时，读取步进电机上的10个周期内的功率。关闭步进电机。

6)接着按照实验方案中的柔性鳍雷诺数大小计算出水流大小，设置水泵的转速，待水流平稳后，待流场稳定时，读取10个周期内六分力天平的各个方向上的力和力矩。

7)开启步进电机。待柔性鳍运动和流场稳定时，读取10个周期内六分力天平的各个方向上的力和力矩。读取步进电机上的10个周期内的功率。关闭水泵和步进电机。

8)柔性鳍在水中静止和运动时的力和力矩值相减，得到此运动模式、斯托罗哈数、雷诺数下的推力随时间变化曲线。进而可以求得平均推力。柔性鳍在空气中和水中运动下，步进电机的功率相减得到毛功率，输入功率＝毛功率*电机效率。进而可以得到输入功率随时间的变化曲线和求得平均输入功率。推进效率＝(平均推力*水流流速)/平均输入功率。

9)重复步骤(4)-(8)。

10)对于特定参数下的流场可视化，可以待柔性鳍运动和流场稳定后向鳍内释放红、绿颜料，观察和拍摄鳍周围流场。

所述仿生柔性鳍水动力性能测量实验装置中调节步进电机的转速、水流流速和齿轮间的相位差，就可以改变柔性鳍的斯托罗哈数、雷诺数、运动模式。

所述仿生柔性鳍12是由柔性材料制作而成，它具有黄貂鱼胸鳍形状，且横截面为NACA0020翼型。

所述六分力天平2测量实验台5在各个方向力和力矩的值，所测力为整个实验台5上的受力和力矩。

所述消波板9能减少自由液面对于柔性鳍12尾流中涡系的干扰，保证测量结果和可视化图像的准确性。

所述铝制连杆7的会在垂直水流平面进行近似正弦的运动。通过在每个连杆之间设置一个相位差，即调整齿轮组的初始相位，就可以使正弦波沿着柔性鳍弦长方向传播，本质上是调节柔性鳍摆动还是波动的运动模式。正弦波波长由齿轮组中首位齿轮间的相位差决定。此外，因为每一根连杆都是刚性的，柔性鳍的振幅随着连杆向下延伸的距离而增加。

本发明提供了一种能够测量仿生柔性鳍的水动力学性能并可视化周围流场的实验装置，它模拟了仿生柔性鳍在非定常流动下的一些特征。所述柔性鳍运动方面：在步进电机的驱动下，齿轮组中从动轮与铝制的水平连杆会将圆周运动转换为近似正弦的往复直线运动。铝制的垂直连杆为会将此运动传递给柔性鳍，实现柔性鳍的周期运动，有效模拟黄貂鱼胸鳍运动。通过调节步进电机的转速，改变柔性鳍的运动频率，可以测得多个斯托罗哈数下的柔性鳍水动力性能。所述水泵可以调节转速，以控制透明水槽中水流的大小，可以测量多个雷诺数下柔性鳍的水动力性能。通过在每个连杆运动间设置一个相位差，即调整齿轮组的初始相位，就可以使正弦波沿着柔性鳍弦长方向传播。调节的相位不同，柔性鳍的运动模式也不同，运动模式可以从摆动到波动，并测量其水动力性能。所述仿生柔性鳍，在两侧弦长中间位置设有颜料释放口，分别储存红、绿两种颜色的颜料，在柔性鳍运动时，颜料会向水中扩散，实现鳍周围流场的可视化。所述消波板能减少自由液面对于柔性鳍尾流中涡系的干扰，保证测量结果的准确性。所述仿生柔性鳍可以更换成其它形状的柔性鳍，装置的扩展性较强。

本发明提供了一种能够测量仿生柔性鳍的水动力学性能并可视化周围流场的实验装置，包括平板支架、六分力天平、承力铝杆、步进电机、实验台、齿轮组、铝制连杆、透明水槽、消波板、水泵、仿生柔性鳍，它模拟了仿生柔性鳍在非定常流动下的一些特征。在步进电机的带动下，齿轮组中从动轮与铝制的水平连杆会将圆周运动转换为近似正弦的往复直线运动。铝制的垂直连杆为会将此运动传递给柔性鳍，实现柔性鳍的周期运动。此机械设计非常精巧，可以真实的模拟黄貂鱼胸鳍运动。通过调节步进电机的转速，改变柔性鳍的运动频率，可以测得多个斯托罗哈数下的柔性鳍水动力性能。所述水泵可以调节转速，以控制透明水槽中水流的大小，可以测量多个雷诺数下柔性鳍的水动力性能。通过在每个连杆运动间设置一个相位差，即调整齿轮组的初始相位，就可以使正弦波沿着柔性鳍弦长方向传播。调节的相位不同，柔性鳍的运动模式也不同，运动模式可以从摆动到波动，并测量其水动力性能。以上所述的调节参数简单易行，实验中可以迅速调节，减少实验时间，提高实验效率。柔性鳍在水中静止和运动时的力和力矩值相减，得到此运动模式、斯托罗哈数、雷诺数下的推力随时间变化曲线。进而可以求得平均推力。柔性鳍在空气中和水中运动下，步进电机的功率相减得到毛功率，输入功率＝毛功率*电机效率。进而可以得到输入功率随时间的变化曲线和求得平均输入功率。推进效率＝(平均推力*水流流速)/平均输入功率。此装置可以准确快速测量不同对斯托罗哈数、雷诺数或者相位差下的柔性鳍水动力性能参数。所述仿生柔性鳍柔性鳍两侧弦长中间位置设有颜料释放口，分别储存红、绿两种颜色的颜料，在柔性鳍运动时，颜料会向水中扩散，实现鳍周围流场的可视化。通过拍摄柔性鳍周围流场的图片，进一步分析涡系在柔性鳍推力产生过程中所起的作用。所述消波板能减少自由液面对于柔性鳍尾流中涡系的干扰，保证测量结果的准确性。所述仿生柔性鳍也可以更换成其它形状或者大小的柔性鳍，装置的扩展性较强。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。