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.     

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.      

鲹科模式鱼体自主前游的标度律研究

鲹科鱼类采用波状摆动可以实现非常高效的巡游游动,在受力动态平衡下以很高的速度向前游动,其性能远超传统的人造水下航行器,因此,探寻鱼体自主前游状态下流体力和前游速度的规律并建立相应的预测式具有重要的意义.在开源OpenFOAM平台和柔性体自主推进算法基础上,实现了波动鱼体自主游动的数值模拟,以NACA0012翼型为典型鱼体外形,对鲹科模式前向自主游动开展了系统的数值模拟.由已获得的栓结模型下推力标度律的启发,分别对自主巡游下的压差力系数和摩阻力系数进行标度研究.结果表明在雷诺数从500到50 000的范围内,压差力系数和摩阻力系数分别具有形式一致的标度规律,由此可根据数值结果给出定量的预测公式,进而根据两作用力的匹配关系可以导出鱼体自主前游速度的标度律,获得了根据已知的鱼体波动参数来预估巡游速度的方法.此外,探讨了雷诺数为500和50 000工况,不同摆尾幅度和频率组合下,鱼体厚弦比对于巡游的水动力标度律和前游速度的影响,并分析了不同鱼体外形对效能比的影响,发现雷诺数越高,获得最优效能比的鱼体越细长.     

鱼类波状摆动推进的流体力学研究

本文对大雷诺数下鱼类波状摆动推进的流体力学研究成果从物理上作一简要回顾和评述,其中包括作者最近的系列工作.本文列举了六个题目:(1)鳗鲡模式和鲹科模式的推进性能;(2)月牙尾的推进性能;(3)最佳运动分析和尾鳍形状的讨论;(4)大幅摆动和尾涡层演化的非线性理论;(5)变速运动的推进性能;(6)能耗和阻抗。最后,提出了今后研究方向.     

旋转液体在边界阻力作用下的衰减特性分析

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理,采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性,采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟,建立了壁面糙率、旋转半径,静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试,验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法,获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程,分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明,边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素,边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快,圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.      

倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟

雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.      

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

基于反馈力浸入边界法模拟复杂动边界流动

浸入边界法是模拟流固耦合的重要数值方法之一。本文采用反馈力浸入边界方法,对旋转圆柱和水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟。其中,固体边界采用一系列离散的点近似代替,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。固体对流场的作用通过构造适宜的反馈力函数实现。本文首先通过旋转圆柱绕流的计算结果同实验结果进行对比,吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。然后针对水电站水力过渡过程中水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟,得到导叶动态绕流后的流场分布特性和涡结构的演化特性。     

干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究

旋转流场中的流体流动比较复杂，特别是在高转速、微尺度工况时，流场中的流体流态及其判断方法缺乏完备的理论模型. 选择干气密封作为高速旋转流场的研究对象，以开启力和泄漏量作为宏观特性表征指标参数，选择剪切(周向)、径向及轴向速度分量对速度流场进行介观表述，通过Fluent软件仿真计算大跨距转速(低转速至超高转速)时的宏观、介观指标参数，研究密封性能指标参数与速度场间的内在逻辑关系. 结果表明:低速旋转流场中的轴向速度分量较小，可忽略不计，转速升高会促使轴向速度分量持续增大，当转速持续增大并超过某一临界值时，轴向速度分量会出现迅速升高的情形；轴向速度分量的变化情形与微尺度流场(开启力和泄漏量)波动密切相关，是影响旋转流场流态的关键性指标参数，也是引起宏观流场特性变化的主要因素；径向速度分量的变化情形与微尺度流场泄漏量的变化规律基本一致，随着转速的增大，泄漏量的宏观性能反馈要早于开启力波动的出现. 基于以上研究，同时根据管道雷诺数、流量因子判定模型及流体力学基本理论，尝试提出了基于三维速度分量的针对旋转流场流态的椭球判定模型.      

智能机器鱼游动机理与一种设计理念

通过分析自然界鱼类游动特点和有趣的规律等,提出一种智能机器鱼设计思想.以超磁致伸缩智能材料为例,研究和讨论了无线控制仿生鱼游动机理和方法.采用合金薄板模拟鱼尾骨架,贴在该薄板的超磁致伸缩材料模拟鱼体肌肉,以及外部磁场模拟鱼神经,从而建立了该问题的一种力学控制模型和系统.通过研究外磁场频率与机器鱼尾摆动产生驱动力的关系,发现存在最佳的外磁场频率.这样利用调整外磁场频率,实现控制鱼尾摆动,即机器鱼最好的游动状态.同时分析鱼尾形状,材料参数,流场和外环境因素等对机器鱼游动的影响.研究结果和方法为机器鱼的设计和控制提供了依据和的设计理念.     

通道中并列旋转圆柱的LB-DF/FD模拟

通过结合格子Boltzmann方法(LBM)和DF(Direct Forcing)/FD(Fictitious Domain)思想,建立了一种新的LB-DF/FD方法。采用两套网格系统,欧拉网格用于流体,拉格朗日网格用于固体,有效地避免了计算中重新生成网格的步骤,同时在处理流固问题方面优于LBM方法。通过模拟通道中单圆柱旋转的流场,验证了该方法的正确性;并利用该方法模拟了低雷诺数下通道中并列旋转圆柱周围的流场,分析了圆柱距离壁面间距gw和雷诺数Re对流场结构的影响。研究结果表明:gw显著影响了流场的结构及圆柱的受力;而Re对圆柱升力及Stokes单元数目的影响较大。     

TRPIV MEASUREMENT OF DRAG-REDUCTION IN THE TURBULENT BOUNDARY LAYER OVER RIBLETS PLATE

采用高时间分辨率粒子图像测速技术对沟槽壁面平板湍流边界层速度矢量场的时间序列及其统计量进行了实验测量,讨论了在同一来流速度下沟槽壁面对平均速度剖面﹑雷诺切应力及湍流强度的影响. 用流向速度分量的多尺度空间局部平均结构函数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠事件的脉动速度、展向涡量的二维空间拓扑形态. 结果表明,与同材料光滑壁面对比,沟槽壁面实现了10.73%的摩阻减小量;沟槽壁面湍流边界层湍流强度及雷诺切应力皆比光滑平板湍流边界层对应统计量小,说明沟槽壁面有效降低了湍流边界层内流体的脉动. 通过比较壁湍流相干结构猝发事件各脉动速度分量与展向涡量的空间分布特征,肯定了沟槽壁面的减阻效果,发现沟槽壁面通过抑制相干结构猝发事件实现减阻.     

不同壁面绕流特性的格子Boltzmann模拟研究

为了探讨不同壁面的绕流特性,针对粘性流场中,不同壁面诱导的涡脱落现象以及升阻力系数等流场特性进行了格子Boltzmann数值研究。利用基于分子动理论的格子Boltzmann方法(LBM)求解Navier-Stokes方程,实现对流体运动的描述,针对不同的壁面条件,分别采用不同的格子Boltzmann流-固壁面处理方法。采用Half-way反弹边界条件来处理平直壁面,而曲壁面则采用LBM与有限差分法相结合的形式进行处理,计入了壁面与标准网格不重合对结果造成的影响。开发相应的计算程序,计算结果与已发表文献结果吻合良好,验证了数值模型的正确性。同时,探讨了进出口边界与钝体中心的距离对结果的影响。对比分析了不同壁面的绕流模型中升阻力系数、斯托罗哈数和涡量云图等,并进一步研究了雷诺数条件的影响。结果表明,不同壁面的绕流特性具有明显差异,且同时受雷诺数的显著影响;一般地,平直壁面对于来流作出的响应更迅速。     

旋转圆柱绕流流场特性分析

对雷诺数Re = 20000 ~ 90000、相对转速ɑ = 0 ~ 0.72的旋转圆柱后方流场进行了实验测量, 分析了旋转圆柱后方不同剖面处的速度分布规律和湍流度分布规律. 采用LES方法对旋转圆柱绕流问题进行了数值模拟, 分析旋转圆柱周围流场特性和自由剪切层变化规律, 最后通过理论模型对流场变化进行分析, 得出如下结论: 当圆柱逆时针旋转时, 同一雷诺数下随着相对转速的增加, 旋转圆柱尾迹区域下方速度突变处的位置随着相对转速的增加而上移, 而上方速度突变处的位置不变, 雷诺数的增加使旋转圆柱尾迹区域下方速度突变处位置有小幅度的下移. 通过数值模拟发现, 圆柱旋转之后, 圆柱后方下侧涡的位置明显上移, 且幅度较大. 下方的自由剪切层有明显的上移, 上方的自由剪切层位置变化较小. 最后通过理论分析发现, 圆柱后侧下方涡位置的上移对圆柱升力影响十分显著, 在高雷诺数、低相对转速的条件下, 旋转圆柱后侧下方涡位置的改变对旋转圆柱的升力、尾流区自由剪切层的变化起到了重要的影响.      

游泳衣料的表面摩阻测量

本文介绍用二维激光流速仪对游泳衣料的局部表面摩阻作对比性实验的一组测量结果.由于游泳衣表面为具有高度柔弹性的粗糙壁面,所以表面摩阻系数的值由离壁面稍远的对数律层的速度分布求得.实验结果表明,不同衣料的表面摩阻的差别可达90%左右,国产的单向弹性奥纶游泳衣的表面摩阻系数最小.由此可知,这种具有纵向纹理的衣料对于减少水对运动员的阻力最为有利.     

同轴圆柱间滑移旋转流动问题的同伦解析解

从理论上研究了具有延伸柱面的同轴圆柱间滑移流动问题.通过引入适当的相似变换将控制方程组转化为一类非线性边值问题, 利用同伦分析方法首次获得问题的近似解析解, 分析讨论滑移参数、雷诺数和内外筒半径比对流动的影响.结果表明: 滑移边界参数对剪切应力有较大的影响, 滑移边界小的流体对壁面和边界层内流场施加了更大的剪切力; 增大雷诺数Re, 能增大内筒的壁面剪切力和扭矩; 内外筒半径比对流动结构也有较大的影响, 内筒半径固定, 增大外筒半径能够减少内筒的纵向剪切力.      

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.      

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点, 通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法, 提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构. 采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制, 分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理. 结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降, 同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力, 优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定, 而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.