仿生机器鱼自主游动的数值计算方法与机理

基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体-流体耦合的三自由度(3-DoF)自主游动计算模型,对仿生金枪鱼模型从静止开始到稳定巡游的过程进行了模拟.计算结果表明:在巡游阶段前进速度的周期平均值非零,而侧向速度和艏摇角速度的周期平均值为零.鱼体前部始终产生阻力,鱼体后部在巡游阶段能够产生少量的推力,而尾鳍始终产生较大的推力.鱼体表面压力分布表明在尾鳍前缘的左右两侧,周期性地交替出现高压和低压区是尾鳍产生较大推力的原因.在加速阶段尾鳍的脱落涡强度大,一个周期脱落的两个涡相互挤压在一起;在巡游阶段鱼体产生的涡和尾鳍产生的涡融合在一起脱落到尾流中,形成反卡门涡街,使得尾鳍有效地吸收鱼体产生的涡中的能量,减少功率消耗.     

一种仿生鱼体自主游动的水动力学特性分析

针对金枪鱼结构和自主游动现象建立了仿生鱼体几何模型及鱼体摆动计算模型,采用计算流体动力学Fluent软件结合动网格技术,编写了控制鱼体摆动的UDF程序,对仿生鱼慢速自主巡游状态和C形快速起动状态进行了数值模拟,研究了鱼体摆动频率和摆动方式对仿生鱼周围压力、速度、涡量分布以及鱼体受力状态的影响,揭示了仿生鱼自主游动过程的水动力学特性。研究结果表明:在自主巡游阶段,仿生鱼通过摆动鱼体,在鱼体两侧流场产生高压和低压区,依靠流体的正压梯度获得前进的推动力;在C形快速起动阶段,仿生鱼通过快速大幅度的回摆获得加速度,从而实现快速起动。鱼体自主游动水动力学特性的研究将为仿生水下推进器的概念设计和性能优化提供重要的参考。     

矩形射流流动的大涡模拟

为探讨矩形射流中的拟序运动特征,用大涡模拟方法(LES)对三维矩形射流流动过程进行了数值模拟。统计平均的流向速度横向分布曲线在发展区某些位置上呈现"马鞍型"分布,速度峰值偏离中心轴线,与圆射流显著不同,这与已有的实验和直接数值模拟(DNS)结果吻合良好。计算结果表明,在发展区湍流脉动最强,且应力的横向分布不均匀。随着流向距离的增大,速度功率谱(PSD)曲线呈现峰值向低频移动的现象。速度的PSD分布表明:矩形射流中拟序运动主要位于射流的核心区末端和发展区,射流发展区中的拟序运动具有明显的时间准周期性。     

绕水翼空化的发展及其涡量场特性分析

为了解空化发展与流场中涡量变化的关系,利用数字式粒子图像测速(DPIV)系统,并辅以高速摄像,对绕水翼流动进行了观测.结果表明:空化的发展对整个流场的涡量变化起决定作用.无论在空化还是无空化流场中,涡量主要集中在水翼后部的剪切层所在区域,并形成涡带;随着空化数的降低,空化区域的流场混合更为均匀,从而使涡量峰值逐渐减小,同时下涡带的起始位置向后推移;在云状空化阶段,涡量聚集区由涡带转化为大涡量团的分散分布,而且影响区域明显扩大.     

波流环境下双孔浮射流运动特性

利用粒子图像测速技术(PIV)对波流环境下双孔浮射流的速度场进行测量,对不同组次的相位平均速度场、时均速度场进行定性描述;通过引入考虑横流、波浪、浮力影响的综合特征长度l_(mb),给出了轴线垂向速度衰减过程分区的定量结果。研究表明,波流作用下会产生污染物云团现象,加快双孔射流速度衰减;波浪的作用能够减弱孔间相互影响;浮力的作用能够减小射流体偏转角度和侧向展宽;无量纲的轴线垂向速度变化可以分为近区(z/l_(mb)3)、过渡区(3z/l_(mb)6)、远区(z/l_(mb)6)3个区段。     

柔性机器鱼的动力学建模及其游动性能分析

生物学研究表明,当鱼类尾鳍的摆动频率与其固有频率接近时,可获得快速高效的游动性能,而固有频率又与鱼体本身的粘弹性机械特性、水动力学特性等因素存在着复杂的关系。根据Lighthill细长体理论,本文通过建立柔性机器鱼的动力学模型,求解其在流体环境中的固有频率,并结合鳕鱼(Saithe)的生物学数据,进一步分析了在‘共振’状态下机器鱼动力学参数与其游动性能间的关系。结果表明,机器鱼的共振频率是由鱼体本身和周围流体来共同决定的,鱼体摆动长度越长,截面尺寸越小,对应的共振频率越小。同时发现当鱼体波波速或滑移率不变时,鱼体游动速度与其共振频率成正比。上述结论均与现有生物学数据相吻合。总体上,该研究从柔性机器鱼的动力学出发,初步探索了鱼体的动力学参数与其游动性能之间的关系。     

菱形口的射流在超音主流中的流场表面结构

在不同射流角(10°,27.5°,45°,90°)和射流总压下(0.1 MPa,0.46 MPa)对音速射流通过15.半角菱形口喷射到马赫5横穿主流的实验及圆形喷射器的对比实验,研究了具有菱形喷口的射流用于超音主流的相互作用流场.通过表面油流动可视化和表面压力敏感涂料的方法,得到了流场的表面结构.结果表明相互作用激波的状态(附着与离体)基于射流入射角和喷射压力,在高射流角和低喷射压力下相互作用激波保持附着,前沿相互作用激波角随射流角增加而增加.对离体激波情况,马蹄涡延展到上游,最高表面压力与马蹄涡相关,上游峰值压力随喷射压力的增加而增加.90.圆形喷射器与90.菱形喷射器有类似表面结构,但在给定的射流总压下其峰值压力较后者高,而且激波分离距离较大.     

三维韧性剪切变形构造组构样式探讨

结合三维变形理论,在Transpression变形模型基础上,提出了"剪切方向物质挤出模型",并从三维有限应变角度定量探讨剪切方向物质(体积)挤出对剪切带宏观组构样式、转变的影响及其与运动学涡度的关系。变形过程中剪切方向物质挤出对韧性剪切带构造组构样式影响显著:在减薄型三维变形中,当竖直(z)方向体积挤出量小于剪切运动(x)方向挤出量(两者比值a<1或a=1)时,发生"拉长-减薄剪切变形",剪切带发育稳定的竖直面理和水平线理,运动学涡度数(ωk)对面理和线理组合不产生影响;当a>1时,发生"加宽-减薄剪切变形",剪切带组构样式取决于2个因素:运动学涡度数(ωk)和剪切带收缩量(k),可能的组构组合类型为"竖直面理和水平线理"或"竖直面理和竖直线理"。根据剪切方向物质挤出模型,得到结论:同一运动性质的韧性剪切带可形成不同取向的拉伸线理;拉伸线理方向不一定和变形的简单剪切组分方向一致。     

波流环境下多孔射流运动和稀释特性试验

采用PIV和PLIF技术对波流环境下多孔垂向射流近区的速度场和浓度场进行测量,对比分析不同波浪条件下射流运动轨迹、速度场、浓度场及涡量场特性,重点探讨波流和纯流环境下射流运动特性的差异以及波浪作用对多孔射流发展的影响。结果表明:波流流场中射流时均轨迹发生扭曲,产生"污染物云团"现象,与纯流环境下射流差异明显;波浪对波流环境下的多孔射流运动影响显著,具体表现在波浪强度的增大能够增加射流与环境水体的接触面积、加快射流垂向动量衰减、增强前方射流对后方射流的遮掩作用、降低多孔射流汇合点高度等方面。当前组次下,波浪的存在使得各断面污染物浓度峰值减小,因此对波流环境下多孔射流的稀释有积极的作用。     

槽型减摇水仓特性参数的理论估算和试验方法

国外有关研究认为:槽型减摇水舱由于缺乏足够的理论计算方法,因此减摇效果预报只能依靠试验。上海交大船池对槽型水舱进行了专门的试验研究。本文根据渡边惠弘、Goodrich、Lewison、Webster 等理论方法的特点,发展了槽型水舱的综合模型,求得了适用于各种尺度比例的周期公式,井初步建立了估算阻尼的理论方法:通过能量方程积分实现分布参数系统向集中参数系统的转换,从而确立阻尼系数和水舱几何尺度的数学关系。本文并力图给出完全的舱船系统简化横摇运动方程组(?)周期系数λ=(1 2r(s-b)(π/4 l/b)(π/B))~(1/2)阻尼系数W=(l r)/(2h_0)(π/(λcos(ω_0l)/(c_0))·(2r/B))~2[2(2.23b/r 1)1g(s/b 1/2)~2 1.5(s/b)~2]力矩系数M_t=2ρg(l r)[2rs(c_0)/(ω_0)(tg(ω_0l)/(c_0) yg(ω_0r)/(c_0)) b(Hh_0-(h_0~2)/2)cos(ω_0r)/(c_0)]为测定水舱特性参数,特别设计了强迫摇摆装置和动力衰减试验方法。试验结果和理论计算结果吻合。看来应用理论方法设计最佳槽型水舱并预报其减摇效果是完全可能的。     

水下螺旋桨尾流水面响应特性试验研究

用表面粒子图像测速技术,对水下螺旋桨旋转产生尾流传播至表面的流动特征进行试验研究.结果表明,螺旋桨作用下的自由表面流场响应是一个非定常的演化过程,总体可分为初始扰动和漩涡演化两个阶段.在初始扰动阶段,水面观测区域出现一个速度辐射中心、一个速度汇聚中心及两个区域间的x负方向主流动,涡量反差数有一个短时间的小幅度升降过程.在漩涡演化阶段,水面观测区域出现一对旋转方向相反、涡量大小几乎相同的涡对,并向x正方向传播,涡量反差数有一个长时间的大幅度升降过程.对不同转速和动量源的不用作用时间的系列试验结果表明:水下螺旋桨尾流传播至表面产生的漩涡强度特征可用涡量反差数峰值界定,而且涡量反差数峰值与限制数存在幂函数关系.     

关于系数平方增长的带跳BSDE的解(Ⅱ)

进一步讨论了系数b(t,y,q,p,ω)关于|q|为平方增长的倒向随机微分方程(BSDE):Yt=Y ∫Tb(s,ys,qs,p-s,ω)ds-∫T t∫zP~s(z)Ⅱ(dz)ds-∫Tt~qsdws-∫Ttzp~s(z)N~k(ds,dz),t∈[0,T];及反射BSDE的解的极限定理、解的比较定理及解的惟一性定理.并分别给出了例子.     

引力波天线减振装置及其特性

天体引力波源所产生的引力辐射,使地球上共振型圆柱天线产生10~(-17)cm～10~(-22)cm的纵向振动.在正常情况下要求天线系统有小于或接近10~(-11)的可透性.用弹性体支承时可透性T 是:Z_0是外振源的振幅,A 是经过减振系统之后的振幅,ω_0是减振系统的自振圆频率,ω是外振源的圆频率,β是衰减系数.若ω(?)ω_0则T(?)(ω_0/ω)~2.     

25°Ahmed模型射流主动控制气动减阻策略

采用剪切应力输送(SST)κ-ω(湍动能-比耗散率)湍流模型对标准25°Ahmed模型进行基于计算流体力学(CFD)数值模拟的稳态射流减阻研究.在模型尾部设置射流孔,分别探究各位置处射流孔的孔径、到边线的距离、形状、射流速度和角度的最佳值,分析不同射流状态对流场结构、总阻力系数及局部阻力系数的影响.仿真的基本工况与风洞实验数据一致性很好,验证所采用数值方法的准确性和可靠性.研究结果表明,与未设置射流孔的模型相比,设置射流方案的模型尾流结构得以改善,纵向涡得以抑制,同时其阻力系数明显降低.单独位置布置射流孔方案中在斜面上方进行射流时,阻力系数最低,为0.252 2,减阻率为11.3%.通过正交试验获得最佳组合方案得到阻力系数0.246 7,减阻率达13.23%.     

中国东北冷涡背景下连续发生的中尺度对流系统的组织演变特征个例分析

使用雷达、地面加密观测、探空数据和ERA5再分析数据研究2009年7月22日0400—2400 UTC的21小时内东北冷涡后部在京津地区连续发生的4次中尺度对流系统的组织形态演变和中尺度环境特征。研究结果表明, 在东北冷涡后部稳定的西北气流背景下, 由于东北冷涡后部对流层中层西北气流中的浅槽、其在对流层低层发展的低槽和低涡以及对流层低层高压脊西北部的西南暖湿气流与冷池之间复杂的相互作用, 导致4次过程中强对流的组织形态各异。第一次过程受冷涡西侧一个浅槽锋生影响, 在河北北部形成西南?东北走向弱对流线, 对流线位于北京北部的对流发展较强, 移动迅速, 发展为超级单体和弓形回波, 其冷池出流和西南暖湿气流辐合形成西北?东南走向的后部增生型组织形态, 横贯京津地区。第二次过程是第一次过程位于北京南部的冷池出流触发, 形成超级单体, 之后受第一次过程冷池向西出流的影响, 产生西南?东北走向的后部增生型对流线。第三次过程发生在第一个浅槽造成对流层低层低涡发展的环境下, 低涡西侧的偏北风与低层高压脊北部的偏南风在冷池上面辐合, 造成多条平行的西北?东南走向的后部增生型对流线, 产生列车效应, 造成天津的强降水。第四次过程由冷涡西南部的又一个浅槽锋生和冷涡在天津北部调整出的切变线共同触发, 两个初始的西南?东北走向对流线合并形成一条西南?东北走向的线状对流, 最后南侧的对流发展为弓形回波。4次过程中出现的弓型回波部分还具有弓箭回波结构特征。     

涡发生器高度对气膜冷却性能影响的实验研究

为了研究涡发生器高度对气膜冷却性能影响的规律,搭建了气膜冷却实验台,利用热电偶测温获得气膜有效度,采用粒子成像测速(PIV)技术拍摄了流场结构。实验中采用20°单孔射流结构,在主流湍流度为0.4%、吹风比M=1.5的条件下,完成了5种不同高度涡发生器的气膜冷却效果以及流场结构的测量。气膜有效度的测量结果表明,涡发生器能显著提高气膜冷却性能,其高度对气膜冷却性能的影响显著,该影响随着高度的增加先增大后减小,最优高度下平均气膜有效度相对不带涡发生器情况提高了81%。结合PIV流场结果分析可知:反肾形涡对将冷气卷向壁面是涡发生器提高气膜冷却性能的根本原因,但涡发生器高度过低时产生的反肾形涡对强度较弱,不能有效地将射流牵引至壁面;当涡发生器高度过高时则会穿透射流,将部分主流卷入到反肾形涡对中,从而削弱冷却效果。     

货物旋转对三向叉车横向稳定性影响及控制策略研究

文章考虑了三向叉车在装载货物运行的情况下,其货叉带动货物旋转引起整车的合成重心变化,进而提出一种考虑货物旋转情况的叉车横向稳定性模型。针对三向叉车的合成重心变化导致其横向稳定性不足的问题,首先在该文建立的叉车模型基础上运用线性二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)最优控制法,提出一种基于天牛须搜索的粒子群算法(particle swarm optimization based on beetle antennae search, BAS-PSO)来优化LQR状态矩阵加权系数的方法,进而设计LQR转向控制器;然后基于BAS-PSO优化的LQR转向控制器实现对理想横摆角速度和理想质心侧偏角的快速跟随;最后在双移线换道工况下进行仿真分析,验证了上述控制策略能有效抑制质心侧偏角的偏移,更好地实时跟踪理想横摆角速度,三向叉车在其货叉装载货物进行旋转操作时的横向稳定性得到了明显改善。     

基于ALE算法的水射流冲击不规则靶体 冲击压力特征

水射流冲击压力是评判其能否有效破碎物料的力学判据,然不同形状的靶体对射流冲击压力影响较大.基于Arbitrary Lagrangian-Eulerian算法,数值研究了水射流冲击凸面、斜面、平面与凹面钢板过程中的冲击压力特征.研究结果表明:(1)水射流只有在冲击斜面与平面时,其冲击压力才会出现典型的水锤压力阶段与滞止压力阶段,当冲击凹面时出现双峰值特征,而冲击凸面时出现多峰值特征;(2)水射流冲击不同形状的钢板靶体时,水锤压力峰值与射流速度呈二次方关系,水锤压力持续时间与射流速度呈指数关系;(3)在相同的射流速度下,凹面靶体所受水锤压力峰值最大、持续时间最长,凸面靶体所受水锤压力峰值最小、持续时间最短,斜面与平面靶体介于二者之间.     

低Reynolds数下单排方柱绕流尾迹涡型的LBM模拟

针对工程中遇到的周期柱体绕流问题,采用格子Boltzmann方法(LBM)对低Reynolds数下单排周期排列方柱的定常绕流进行数值模拟,详细分析了柱体后面的尾迹涡型随着Reynolds数的变化情况,并通过对不同Reynolds数下尾迹涡型结构的分析,得到了二射流、三射流和四射流发生合并现象的临界Reynolds数,其中二射流出现合并的临界Reynolds数与文献的数值模拟结果一致,三射流和四射流出现合并的临界Reynolds数则偏大,但更接近实验结果。     

合成射流对类车体流动控制的影响

基于大涡模拟对有无合成射流控制的三维类车体流场进行仿真,与试验结果对比,验证仿真方法有效.平均场结果表明,当合成射流出口位于顶盖和斜背交界处时,可减弱流动分离,缩小回流区,改变背压,降低阻力.频谱分析显示,当激励动量系数超过1.0×10~(-4)时,斜背表面压力、回流区速度和涡量以及阻力系数功率谱密度对应的峰值频率皆为激励频率.瞬态流场分析结果指出,合成射流与外流之间的交互作用导致了阻力系数曲线中出现周期性改变的波谷和波峰.