并列仿生鱼自主游动的数值模拟研究

采用自适应浸没边界方法,数值模拟了两条并列仿生鱼在不同间距下的同相位和反相位自主游动。通过与相同游动参数下单条仿生鱼自主游动的比较,可以得到结论：（1）并列自主游动的速度小于单条鱼游动的速度,并且随着间距减小而减小。相同间距下,反相位并列游动时的速度大于同相位;（2）并列游动时的阻力均大于单条鱼,且随着间距减小而增大;（3）反相位游动时功率消耗随间距减小而增大,但同相位游动则相反;（4）当间距大于0.5个身长时,推进效率都略有增大。所以,在综合考虑了游动速度和推进效率两方面的因素后认为,鱼群中并列相邻的两条鱼应当以反相位摆动,且侧向间距保持在0.5个身长以上,这与自然界中观察的结果是一致的。     

串列仿生鱼自主游动的数值模拟研究

采用自适应网格下的ghost-cell浸没边界方法,数值模拟了两条串列仿生鱼在相同摆频条件下的自主游动,并通过引入节能效率的概念分析了串列游动中的节能效果。通过与相同参数下单条仿生鱼自主游动的比较,发现串列仿生鱼的自主游动速度要大于单条鱼的速度。下游鱼的阻力会增加,但功耗会减少,表明下游鱼从上游鱼的尾涡中吸收了能量,达到了节能的效果。当水平间距较小时,下游鱼会对上游鱼产生一定的反推作用,从而使其阻力减小。结果还表明,高推进效率并不意味着高节能效率,从整体平均节能效果来看,反相位游动时节能效果比同相位时显著,平均节能效率达到22.4%。     

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼, 模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态, 设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼. 针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题, 采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动, 并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构. 依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值, 借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小, 并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率. 应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程, 并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真, 获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况. 结果表明, 在相同的频率与尾鳍摆幅下, 两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s (BL为鱼体体长), 高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s, 且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律, 并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街, 推进效率高.      

两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真

为研究设计一种柔软度高、环境适应性强的新型仿生机器鱼,模仿鲨鱼外形及鲔科鱼类的游动姿态,设计了一种采用液压柔性驱动结构的仿生机器鱼.针对单关节液压驱动柔性机器鱼存在其C型摆动姿态不符合鲔科鱼类摆动规律的问题,采用两关节液压柔性驱动模拟鱼类S型摆动,并根据液压柔性驱动器原理设计仿生鱼的内部结构.依据理论波动方程确定机器鱼的摆动幅值,借助数值模拟计算施加在柔性驱动器内部的压强载荷大小,并分析计算液压柔性驱动器的驱动效率.应用有限元分析软件模拟仿生鱼在流体中的自主游动过程,并将两关节机器鱼与单关节机器鱼的自主巡游过程进行对比仿真,获得两种机器鱼在流体中自主巡游时的运动姿态、游动速度及流场情况.结果表明,在相同的频率与尾鳍摆幅下,两关节柔性机器鱼的巡游平均速度为0.29 BL/s(BL为鱼体体长),高于单关节机器鱼巡游平均速度0.15 BL/s,且由速度矢量图可得出两关节仿生鱼的S型摆动姿态更接近真实鱼类摆动规律,并在运动过程中会产生一系列离散的反向卡门涡街,推进效率高.     

自由度对鱼类自主游动数值模拟结果的影响

采用自适应浸没边界方法,数值模拟了仿生鱼在不同自由度个数情况下的游动,对比分析了自由度个数对仿生鱼受力、能耗、推进效率以及尾涡结构的影响。研究结果表明,推进效率随着自由度个数的增加而略有降低;当仿生鱼在自主游动过程中没有侧向运动速度时,侧向受力幅值会大幅度提高。另外,当采用"六自由度模型"进行模拟时,仿生鱼很难沿直线运动,从而导致定量分析的困难。     

``槽道效应'在鱼群游动中的节能机制研究

为了揭示鱼群游动中的节能机制, 将自适应网格投影法和浸没边界法进行有机结合,研究了3条鱼组成的鱼群基本单位的自主游动. 为了使鱼群在游动过程中沿直线游动,利用仿生鱼的头部摆动进行了方向控制. 通过研究3条鱼组成的鱼群基本单位发现,当中间的鱼落后于前面2条鱼时, 能够以较低的摆频与前面2条鱼保持相同的速度前进, 即从前面2条鱼的尾涡中吸收了能量, 达到了节能的效果. 当中间的鱼落后大约0.4个身长时游动最省力, 其摆频仅为前面2条鱼的54%, ``槽道效应'的节能效果最明显.      

幼鱼体长差异性对群游推进效率的影响研究

为探究上下游鱼之间的体长差异性对鱼群群游效率的影响,本文基于Fluent动网格技术,对幼鱼鱼群稳定游动状态下的鱼体周身涡量和推进效率等进行了数值模拟分析。计算结果表明,群游幼鱼的推进效率相比单尾鱼最高可提升5%,上游鱼体长大于下游鱼体长(ΔL>0 cm)时,随体长差异的增大,鱼群尾流结构(d/D)增大,整体推进效率减小;上游鱼体长小于下游鱼体长(ΔL<0 cm)时,随体长差异的增大,鱼群尾流结构(d/D)和整体推进效率减小。当上下游幼鱼的体长差ΔL=0.5 cm时,三角形组合的鱼群整体推力系数和功率系数最高分别可达5.11×10^-3和1.71×10^-3,该组合下的整体推进效率可达17.2%。     

基于浸入边界法的鱼体自主游动的数值模拟

对游动或飞行生物自主运动特性的深入研究,可促进仿生学的进一步发展。本文以"C"型游动鱼作为研究对象,建立了自主游动的柔性鱼模型。此模型较为真实地反映了鱼自主游动时鱼体内力(由鱼体肌肉收缩提供)、鱼体运动和外界流体之间的耦合作用。基于传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界法对鱼的自主游动进行了数值模拟。分析了鱼自主游动启动阶段和巡游阶段流场特性及鱼体运动特征。模拟结果表明,受到鱼体自身组织结构和外界流场作用,鱼游动时通过呈"C"型和类"S"型的不断转换,以获取能量,实现鱼体自主游动。     

鱼类自主游动水动力学特性的数值模拟

通过对推力和阻力进行重新定义, 从根本上解决了鱼游研究中推力和阻力无法区分的难题.在此基础上, 利用自适应网格下的ghost-cell浸没边界方法, 模拟了鱼类以鲹科模式在黏性流体(309 \le Re \le 14\,581)和无黏流体 (相当于雷诺数无穷大情形)中的二维自主游动.结果表明: (1) Strouhal数随雷诺数增大而减小,当雷诺数趋向于无穷时, Strouhal数趋向于0.25; (2)在所有雷诺数情况下, 推力主要来源于压力分量; 当Re<3000时, 阻力的压力分量小于黏性力分量, 而当Re>3000, 二者的关系就会反过来; (3)推进效率随着雷诺数的增大而增大,当雷诺数趋向于无穷大时, 推进效率最高可以达到70%, 说明鲹科模式适用于较高雷诺数下的游动.      

摆动水翼绕流的数值研究

鱼类经常采用垂直流向的摆动进行游动, 这种摆动可以用行进波来表示. 应用浸入边界方法模拟了低雷诺数条件下水翼NACA65-010在水中摆动时的流场,并研究了雷诺数对水生动物推进效率的影响. 结果表明:随着雷诺数的增大,推力系数和推进效率增大,而功率系数减小;在Re<20时,推力系数,推进效率和功率系数的变化尤为剧烈. 随雷诺数增加,由于水翼摆动诱导的流场变化也更加复杂,水翼后缘处的涡量场强度逐渐增强. 摆动诱导反卡门涡街产生推力.      

基于GIS与确定性系数分析方法的汶川地震滑坡易发性评价

鱼类经常采用垂直流向的摆动进行游动, 这种摆动可以用行进波来表示. 应用浸入边界方法模拟了低雷诺数条件下水翼NACA65-010在水中摆动时的流场,并研究了雷诺数对水生动物推进效率的影响. 结果表明：随着雷诺数的增大,推力系数和推进效率增大,而功率系数减小;在Re<20时,推力系数,推进效率和功率系数的变化尤为剧烈. 随雷诺数增加,由于水翼摆动诱导的流场变化也更加复杂,水翼后缘处的涡量场强度逐渐增强. 摆动诱导反卡门涡街产生推力.     

单驱动仿生机器鱼动力特性的实验研究

根据变截面悬臂梁受迫振动响应来模拟鱼体变形,并设计了单驱动仿生机器鱼,进行了机器鱼直线巡游、转弯和加速-滑行实验。由高速摄像机记录机器鱼运动过程,对序列图像进行处理,获得机器鱼动力特性。结果表明：单驱动机器鱼最大稳态速度约为1BL/s,最小转弯半径约为270mm,尾流动力特性良好;论证了摆动频率与摆幅对速度的影响以及摆幅与速度对转弯半径的影响;在加速滑行时间比率2∶1的情况下,速度值较大,进而提出了提高游动效率的方法。研究结果证明单驱动方式较传统驱动方式更合理。     

正交弹性材料中双周期裂纹反平面问题的封闭解

研究了无限大正交弹性材料中含双周期裂纹的反平面问题,其基本胞元含有三条裂纹,且三条裂纹的中心恰好位于一等腰三角形顶点。运用椭圆函数、保角变换理论、施瓦兹公式获得了该问题应力场的封闭解,并得到了裂纹尖端处的应力强度因子。该问题结果取特殊情形退化对应于单排共线周期裂纹的解答。通过数值算例,分析了双周期裂纹归一化的应力强度因子随双周期裂纹的横向间距和纵向间距之比/b a 分别取10、5、2、1时的变化曲线。结果表明：对于一定的横向间距,应力奇异因子随纵向间距的增大而减小,但随着纵向间距的增大,纵向间距对应力奇异因子的影响变得不明显;对于一定的纵向间距,应力奇异因子随横向间距的减小而减小,但随着横向间距的减小,横向间距对应力奇异因子的影响变得不明显。     

仿生推进装置翼盘变速运动的数值仿真与试验研究

根据水母游动原理扩展设计了一种仿生推进装置,该装置以曲柄滑块机构驱动剪式结构串联体、两端仿生合页式翼盘,实现大行程直线往复运动的仿生推进.在数值分析的基础上,根据仿生推进装置运动的特点,运用直线位移与拉压力传感器,对翼盘在水中运动时的推进力及运动位移进行测试和数据采集.考虑运动过程中翼盘速度变化,运用FLUENT软件对不同张角的翼盘产生的推进力进行数值仿真.通过仿真与试验分析,并以推进力最大化为原则,确定了翼盘最大张角为160°,推进力仿真值与实际测试值基本吻合,初步验证了所提出仿真方法准确性.     

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.     

自主推进俯仰震荡翼型的数值模拟研究

运用自适应多重网格法和内置边条法研究了俯仰震荡翼型的运动.通过研究翼型的原地摆动与自由游动,提出了一种确定自主推进俯仰震荡翼型推力的方法,得到了推力系数、功率系数和推进效率与Strouhal数的关系.与以往研究不同的是,我们还得到了Strouhal数随雷诺数的变化规律.此外,从自由游动翼型诱导出的涡量场中可以清楚的观察到旋涡的合并,这与实验研究非常吻合.     

球形弹丸正撞击薄板防护屏碎片云特性研究

以质量、动量和能量守恒为基础,结合平面激波理论和热力学理论,对球形铝弹丸正撞击薄板铝防护屏形成的碎片云特性进行了建模,模型计算结果与实验结果吻合较好。利用该模型对多种工况下碎片云特性进行了计算,结果表明:(1)碎片云质心速度和膨胀速度随撞击速度和弹丸直径的增加而增大,随防护屏厚度增大而减小;膨胀半角随撞击速度和防护屏厚度的增大而增大,随弹丸直径的增大而减小;(2)速度和膨胀半角变化曲线具有相似性;(3)对于给定的弹丸和防护屏材料,碎片云中受到激波加载部分的材料各相态质量分数只与弹丸撞击速度有关。这些规律与实验规律吻合。     

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法,开展了雷诺数Re=100不同几何参数下单椭圆柱及串列双椭圆柱绕流流场与受力特性对比研究。结果表明,随长短轴比值的增加,单椭圆柱绕流阻力系数先减小后缓慢上升,最大升力系数则随长短轴比值的增大而减小;尾迹流动状态从周期性脱落涡到稳定对称涡。间距是影响串列圆柱及椭圆柱流场流动状态的主要因素,间距较小时,串列圆柱绕流呈周期性脱落涡状态,而椭圆柱则为稳定流动;随着间距增加,上下游圆柱及椭圆柱尾迹均出现卡门涡街现象,且串列椭圆柱临界间距大于串列圆柱。串列椭圆柱阻力的变化规律与圆柱的基本相同,上游平均阻力大于下游阻力;上游椭圆柱阻力随着间距的变大先减小,下游随间距的变大而增加,当间距达到临界间距时上下游阻力跃升,随后出现小幅度波动再逐渐增加,并趋近于相同长短轴比值下单柱体绕流的阻力。     

充气锚杆在黏土中的群锚效应试验研究

为揭示充气锚杆在黏土中的群锚效应,采用自行设计的充气锚杆及其拉拔试验装置,在黏土地层中进行了多组拉拔试验。根据充气锚杆的根数不同、不同的布置形式以及间距变化设置不同试验组,并对其试验结果进行了对比分析。试验结果表明:双锚情况下,随着锚杆间距的增大,其承载能力呈现先增大至一最大值后又开始减小,锚杆的最优间距为6.84D(D为充气锚杆扩大段等效直径);三锚和四锚情况下,群锚的平均极限承载力均小于双锚;应力场干涉叠加对群锚气囊变形产生一定的影响,当锚杆间距大于限值(25cm)时,会使得扩大头端面和扩大头侧面承载力随着间距的增大先增加后减小,最后接近单锚状态;当锚杆间距小于限值(25cm)时,应力场干涉叠加会削弱扩大头端面和扩大头侧面承载力,甚至低于单锚状态。     

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法的椭圆柱流动特性分析

基于浸入边界-格子Boltzmann通量求解法,开展了雷诺数Re=100不同几何参数下单椭圆柱及串列双椭圆柱绕流流场与受力特性对比研究。结果表明,随长短轴比值的增加,单椭圆柱绕流阻力系数先减小后缓慢上升,最大升力系数则随长短轴比值的增大而减小;尾迹流动状态从周期性脱落涡到稳定对称涡。间距是影响串列圆柱及椭圆柱流场流动状态的主要因素,间距较小时,串列圆柱绕流呈周期性脱落涡状态,而椭圆柱则为稳定流动;随着间距增加,上下游圆柱及椭圆柱尾迹均出现卡门涡街现象,且串列椭圆柱临界间距大于串列圆柱。串列椭圆柱阻力的变化规律与圆柱的基本相同,上游平均阻力大于下游阻力;上游椭圆柱阻力随着间距的变大先减小,下游随间距的变大而增加,当间距达到临界间距时上下游阻力跃升,随后出现小幅度波动再逐渐增加,并趋近于相同长短轴比值下单柱体绕流的阻力。