风沙运动力学机理研究的历史、进展与趋势

回顾了风沙运动力学机理研究历史,阐述了中国在风沙运动力学机理研究方面所取得的最新进展,提出了目前存在的问题和今后发展的趋势.     

风沙运动的沙粒带电机理及其影响的研究进展

土壤风蚀以及沙尘暴是人类面临的重大自然环境灾害之一,它直接关系着人类的生存环境和生活质量.许多国家和政府以及科学家们对此一直十分关注并开展了大量研究.由于大气和地表条件的多样性以及地表沙粒的运动与风场作用的相互耦合,导致风沙运动问题研究的复杂性.除此之外,伴随着对风沙运动机理的研究和对沙尘暴的观测,人们发现在风沙跃移运动和沙尘暴中的沙粒带有电荷并形成风沙电场.沙粒的运动不仅导致沙粒带电和风沙电场形成,而且也直接受到沙粒带电和风沙电场的影响.为了弄清风沙电的起因以及揭示其影响规律,研究人员对此进行了野外观测、实验室测量和理论推测等.本文将就这一问题重点介绍有关风沙运动中沙粒带电的机理、风沙电场分布规律、沙粒带电对风沙运动的微宏观物理量以及沙尘暴中沙粒带电对电磁波散射的影响等方面的实验和理论研究的基本概况和进展以及作者等人在此方面的研究工作.主要包含内容有:沙粒带电及其电场的基本实验测量,粒带电对风沙运动的影响,沙尘暴对电磁波衰减的影响研究以及有关风沙起电的机理研究等.同时,对这一研究领域中目前关注与存在的主要问题给予评述.图6参81      

一种新的磨粒图像特征参数

探讨了小波分析在磨粒图像处理中的应用 ,提出了基于磨粒图像统计特征的粒度参数概念 .利用小波分解对磨粒图像进行分解 ,然后对分解的图像进行统计分析 ,实现磨粒图像的特征提取 .结果表明 ,粒度参数可以作为磨粒图像的综合特征参数     

基于运动平滑性与RANSAC优化的图像特征匹配算法

针对视觉导航中现有的特征匹配算法召回率低、耗时长的问题,提出一种基于运动平滑性与RANSAC算法结合的图像特征匹配算法。首先将图像网格化,通过运动平滑性约束处理,找出误匹配率低的图像网格区域;然后,利用RANSAC算法计算出图像间近似的单应矩阵;最后,利用单应矩阵对初次匹配结果进行筛选,得到优化后的匹配结果。实验结果表明:所提出的算法在不同类型的图像匹配中,召回率平均提升了7.5%,F值平均提升了5.4%;相比较于传统RANSAC算法,运算时间平均减少了27.8%,适用于一些对实时性要求较高的场景。     

流动显示图像的处理和分析

流动显示图像的处理和分析李欣周建和周兴华（天津大学力学系,天津３０００７２）文［１］和［２］曾介绍过天津大学流体力学实验室所开设的两个流体力学新教学实验,文中提到用摄录像设备与计算机连接,将图像信息存入计算机内进行计算和处理,快捷方便．本文介绍天津大...     

铁谱图像分析技术的应用研究

本文将计算机图像处理技术应用于铁谱定量分析,对谱片中各单个磨粒的特征参数进行统计,并根据统计模式识别理论设计了4类典型磨粒的分类器。利用统计参数,可以实现磨粒的自动识别分类和统计,大大提高了铁谱定量分析的准确性。     

涡旋运动的稳定性分析

本文给出了分析涡旋运动稳定性的控制方程并介绍在实际问题中得到较广泛应用的各种涡旋的稳定性特性,总结了现有的各种关于涡旋运动稳定性的判据。     

基于PETSc的非线性逆向运动并行计算方法研究

在考虑几何非线性的有限元分析中,初始构型和变形构型是严格区分的,并且变形后的构型对结构性能和功能的实现往往具有重要意义.传统的非线性有限元分析主要面向变形前的初始构型为导向的设计问题,而对于变形后构型为导向的设计问题则有较大局限性.针对此问题,引入非线性逆向运动分析方法,为了保证大变形非线性分析迭代的收敛性和计算效率,基于PETSc函数库建立了并行分析框架,并对并行框架中的模块划分、数据并行存储以及通信锁死和负载平衡等进行了详细阐述.在算例部分,首先通过正向运动和逆向运动分析结果对比,阐述了两种分析方法的不同以及逆向运动分析方法对变形前构型求解的准确性;其次,采用不同MPI进程数对并行分析程序的效率进行了测试.结果 表明,合理地选择MPI进程数目可显著提高非线性逆向运动分析的效率.     

基于图像处理的蝌蚪匀速直线游泳运动分析

蝌蚪作为两栖类动物变态发育的水生幼体,针对其生物特性的研究较多,但对其行为运动的关注一直较少。作为典型的非流线型游泳动物代表,蝌蚪游泳行为的运动特征和力学机制对相关仿生应用有重要参考意义。本文利用高速摄影技术记录了不同大小和速度的蝌蚪游泳过程,通过图像处理分析游动过程中蝌蚪身体形态的变化,得到了蝌蚪头部偏转角度和尾部摆动频率、变形波长等运动特征参数,并归纳总结了各运动参数随体型、速度等因素的变化规律。根据蝌蚪的身体形态和运动特征,提出了头部转动与尾部摆动二分量组合的游泳运动描述公式,并基于实验数据拟合得到了表征参数,在此基础上对蝌蚪游泳时的流场和力学特性进行了计算分析。研究结果表明：蝌蚪具有可与鱼类相比的游泳能力;中小蝌蚪偏向于相对高频、头部大幅偏转的运动模式,大蝌蚪偏向于相对低频、头部小幅偏转的运动模式;随着相对游泳速度的增加,蝌蚪摆动频率、头部偏转角、尾部摆幅和波长均呈增加趋势;蝌蚪头部偏转的幅值与尾部摆动的频率、幅值呈正相关关系。     

考虑摩擦时刚性直杆倾倒的运动分析

为了探究考虑摩擦时均质刚性直杆倾倒的全过程,利用理论分析和数值计算的方法,详细分析了在不同摩擦因数下刚性直杆倾倒的三种运动过程,得到了倾倒时的动力学方程及其解答,并推导了杆触地端位移的表达式,通过数值计算的方法绘出了杆触地端最终位移与摩擦因数的关系曲线,并通过实验验证了部分结论.     

Optimisation of two-dimensional undulatory swimming at high Reynolds number

The propulsion performance of a flexible plate undergoing an arbitrary harmonic motion in a two-dimensional and inviscid fluid is addressed. This plate being free of external forces, heaving and pitching cannot be imposed and are the results of recoil conditions on the body. Linear unsteady airfoil theory is first used to calculate the average thrust and power required for swimming. The propulsive performance is then discussed in terms of hydrodynamic efficiency, energy consumption and average swimming speed and two different asymptotic regimes are identified: the low-velocity regime and the high-velocity regime. The optimal swimming gaits are calculated in the different regimes as a function of the plate mass ratio and leading-edge suction. Finally an empirical non-linear model is proposed to complement the linear model and the optimal swimming modes are calculated and discussed within this framework. For a fixed number of degrees of freedom, it is found that the Strouhal number of the optimal mode is almost constant, independently of the swimming regime.     

狭窄通道内自推进鱼体游动的数值模拟研究

本研究数值模拟了狭窄通道内的三维自推进鱼体游动,其中鱼体摆动方向与上下壁面平行。研究发现,在相同雷诺数(Re)下,随着通道变窄(上下壁面间隙减小),鱼体游速增快,功耗降低。在较高雷诺数(Re=2600)下,本研究的壁面间隙范围内,功耗始终低于自由游动,而在较低雷诺数(Re=410)下与自由游动功耗相比,存在不同的间隙区间。进一步研究了Re数的影响,结果表明,相同通道高度下,随着Re数降低,鱼体游速降低,但始终高于自由游动,鱼体功耗提高,但始终低于自由游动。最后,为了探究其中的物理机制,分析了鱼体产生的涡旋结构和涡量场,发现壁面效应提高了尾流射流强度,从而增大游速和降低功耗。相反地,Re数下降导致尾流射流强度下降和模式改变,从而减小游速和提高功耗。     

Where is the rudder of a fish？： the mechanism of swimming and control of self-propelled fish school

Numerical simulation and control of self- propelled swimming of two- and three-dimensional biomimetic fish school in a viscous flow are investigated. With a parallel computational fluid dynamics package for the two- and three-dimensional moving boundary problem, which combines the adaptive multi-grid finite volume method and the methods of immersed boundary and volume of fluid, it is found that due to the interactions of vortices in the wakes, without proper control, a fish school swim with a given flap- ping rule can not keep the fixed shape of a queue. In order to understand the secret of fish swimming, a new feedback con- trol strategy of fish motion is proposed for the first time, i,e., the locomotion speed is adjusted by the flapping frequency of the caudal, and the direction of swimming is controlled by the swinging of the head of a fish. Results show that with this feedback control strategy, a fish school can keep the good order of a queue in cruising, turning or swimming around circles. This new control strategy, which separates the speed control and direction control, is important in the construction of biomimetic robot fish, with which it greatly simplifies the control devices of a biomimetic robot fish.     

鱼类巡游中的活体肌肉力学性能预测

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法,对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件,首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力）,然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示,鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分,而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当,这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现,两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递,其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.     

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.     

鳗鲡科鱼类变刚度特性对推进性能影响研究

生物学研究表明, 波动推进鱼类的鱼体刚度对其推进性能有着重要影响, 通过改变鱼体刚度可获得优异的游动特性, 但鱼类肌肉驱动模式与鱼体刚度和游动性能的关系尚不清晰. 鉴于此, 文章以鳗鲡科鱼类作为研究对象, 基于黏弹性梁理论和Taylor流体理论, 建立由生物学钙离子肌肉驱动的鳗鲡科鱼类游动模型, 研究肌肉驱动和鱼体刚度变化对推进性能的影响. 结果表明, 肌肉驱动力随刚度增加呈先快速增加后缓慢下降的变化趋势, 而随着肌肉驱动力增加, 鱼体游动速度随刚度增加而增加并逐渐趋于稳定. 当肌肉驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时, 游动速度和启动加速度可分别提升55%和129%, 可见增大鱼体刚度可显著提升推进性能. 为了验证上述结论, 设计了基于串并联结构的变刚度实验平台, 实验表明鱼体的变刚度特性能显著提升推进性能. 当舵机驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时, 通过统一变化弹簧刚度大小推力可提升2.5倍. 上述研究结果可为改变鱼体刚度提升游动性能提供参数设计指导, 为研制变刚度仿生机器鱼提供理论依据.     

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.      

Contrast Enhancement with a Nonlinear Oscillators Network

In this paper, we propose a contrast enhancement realized with a lattice of uncoupled nonlinear oscillators. We show theoretically and numerically that the contrast of a gray scale image is strongly enhanced even if it is initially very weak. An image inversion can also be obtained in real time without needing a reconfiguration of this Cellular Nonlinear Network (CNN). Finally, an electronic implementation of this (CNN) is discussed.