侧喷射流的仿生鱼表面减阻优化研究

为了研究射流孔结构参数对水下射流减阻的影响,以金枪鱼为仿生对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃在仿生鱼模型侧面添加射流孔建立了射流模型.采用数值模拟方法,分析主流场速度及射流孔的形状、高度、位置、高宽比等单因素对仿生鱼表面减阻的影响规律.通过Design-expert软件对射流孔的结构参数进行响应面多目标参数优化,进一步分析了不同射流孔的结构参数在相互作用时对仿生鱼表面减阻的影响,最终确定了在距离鱼首5 mm处添加形状为后三角形,高度为6 mm,高宽比为4的射流孔时能够达到比较理想的减阻效果,此时模型的总阻力为2.51021 N,相应的减阻率为6.49%.本文通过深入分析射流孔结构参数的影响,为水下射流减阻技术提供了重要的理论基础和实验指导,为仿生技术在水下流体力学领域的应用拓展了新的可能性.

基于浸没边界法的壁面凸起对仿生鱼游动影响的研究

流体流经壁面凸起后在壁面凸起的后方产生周期性脱落的尾涡,尾涡内流场复杂。当尾涡继续流动流经游动中的仿生鱼时,仿生鱼的水动力系数也随之发生剧烈变化。基于多重直接力浸没边界法,结合狄拉克函数,通过求解不可压缩Navier-Stokes(N-S)无量纲方程,对低雷诺数情况下的仿生鱼游动过程进行无量纲化数值模拟研究。为了验证算法和自主开发程序的准确性,对圆柱绕流和NACA0012外形鱼体游动流场进行了验证算例计算,计算结果与文献结果吻合较好,验证了算法和程序的有效性。在此基础上,研究固壁半圆形凸起对仿生鱼游动水动力系数的影响,计算结果表明:当仿生鱼距壁面较近时(d=0.25L),仿生鱼受到远离壁面方向的侧向力和顺时针方向力矩;当仿生鱼距壁面较远时(d=1.25L),仿生鱼受到指向壁面的侧向力和逆时针方向力矩。总体而言,壁面凸起使得仿生鱼更容易在与壁面有一定距离的高度区间内游动,壁面凸起对仿生鱼游动起到了一定减阻作用。

仿生鱼骨流道液冷电池热管理系统性能研究

为解决动力电池在高放电倍率下温度高以及温差大问题,提出了一种仿生鱼骨流道,并建立了液冷散热模型。在40℃的高温以及电池放电倍率为3C的条件下,研究并对比了鱼骨流道和平行流道的冷却性能,结果表明鱼骨流道具有更好的冷却性能。在此结构下,分析了6个具有代表性的单电池的最高温度以及温差,同时研究了冷却液的流速,冷却流道的流向排列对电池组温度以及温差的影响。结果表明,当冷却液流速为0.02 m/s,电池组放电结束时的最高温度为27.8℃,电池组的温差在2.2℃,冷却液压降为1.5 Pa,采用冷却液交叉流向排列方案的电池组具有更好的均温性。

仿生鱼算法在水下机器人通信中的应用研究

本文探索了仿生鱼行为算法在水下机器人协同通信中的应用。通过模拟鱼群的集体行为和通信机制,该算法为水下机器人提供了新思路和方法。试验验证发现,与单独采用一种通信方式相比,仿生鱼行为算法能够在水下环境中有效提高通信效率和可靠性。该研究为水下机器人的应用领域拓展和通信技术改进提供了重要参考,具有重要的理论和实践意义。

基于北斗网格的仿生鱼自动巡航系统开发及实验研究

针对水域环境自主巡航系统所面临的自主巡航、路径规划、环境感知等诸多挑战,为提升水域巡航的自适应性,本文旨在开发一种基于北斗网格的仿生鱼自动巡航系统,并进行相关实验研究。基于北斗网格码技术和仿生鱼技术的基本原理,设计了仿生鱼自动巡航系统。通过静态测试和动态测试验证了系统的导航精度和巡航效果。静态测试实验结果表明,北斗网格自动巡航系统在水下环境中的定位误差小,具有较高的稳定性。动态测试实验结果显示,仿生鱼能够按照预定路径巡航,轨迹偏差在可接受范围内,证明了系统的有效性和可靠性。

仿生鱼鳍运动仿真分析及试验研究

仿生水下推进技术的研究日益受到科研工作者的青睐,尤其是仿生机器鱼的研究日益引起关注。在对柔性长鳍波动推进模型研究的基础上,提出一种尾鳍摆动与长鳍波动组合推进的模型,目的是为了提高已有柔性长鳍波动模型的推进性能。对柔性长鳍波动推进模型和组合推进模型进行介绍,着重利用计算流体动力学方法分别对刚性尾鳍摆动模型和柔性长鳍波动模型进行二维数值计算,并对仿真结果进行对比和分析,对模型进行简易流场显示试验,为进一步研究组合鳍的推进特性奠定了基础,同时便于和今后模型的试验数据进行对比分析。

NiTi形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究

为了提高仿鱼型推进器在水中运动的灵活性,选择了典型的依靠腹部绸带状鱼鳍波动运动产生推进力的黑色魔鬼刀鱼进行研究,对此绸带状鱼鳍的形态和运动机理进行了分析,同时对鱼鳍的结构进行简化.基于绸带状鱼鳍的这种简化模型设计了形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍.介绍了鱼鳍的机械结构和相应的控制电路.重点推导了仿生鱼鳍波状运动时理论上能到达的推进速度和产生的推进力;并采用数值仿真给出了波动推进时仿生鱼鳍表面的压力分布以及推进力随时间的周期变化规律.将数值仿真结论和先前的实验结果进行了比较,验证了数值仿真的合理性和正确性.通过上述分析,说明基于形状记忆合金驱动的仿生鱼鳍的研究是很有意义而且可行的.

仿生鱼鳍中形状记忆合金驱动器的水下变形精度分析

简要介绍了仿生鱼鳍的基本机构和工作原理.为了提高形状记忆合金仿生鱼鳍的变形精度,理论计算了作为鱼鳍驱动器的形状记忆合金薄板对端部的水下变形误差.给出了形状记忆合金薄板表面的流体无量纲阻力系数随时间的变化关系,同时给出了某一时刻薄板表面及其周边的压力分布和薄板尾迹中的卡门涡街形态.最后,通过实验验证了理论推导的正确性.

仿生鱼鳍波动推进模式对游动性能影响的数值研究

仿生鱼鳍的波动运动有两种基本模式:振幅从前往后保持不变和振幅从前往后逐渐变化。通过比较仿生鱼鳍两种波动模式的特点,可以给利用仿生鱼鳍驱动的水下推进器选择合理的波动方式提供依据。基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)技术建立两种波动模式的二维数学模型。比较分析了在相同的雷诺数及运动学参数(频率、波速和平均振幅)下两种波动模式形成的压力分布和平均推进力。给出了阻力系数随时间的变化规律。根据尾迹涡量场分布形式和涡量强度解释了两种波动模式之间存在差异的原因。从仿真结果可以看出:在相同的运动学参数下,振幅从前往后保持不变的鱼鳍波动模式产生更大的推进力,具有更高的游动稳定性。

某型仿生鱼自主直线巡游速度的影响因素研究

深入开展鱼游等生物运动力学机理的研究对日益增长的仿生技术需求具有重要的意义.为此,该文以某型仿生鱼自主游动为研究对象,基于浸入边界法的流固耦合建模思想,以鱼体肌肉提供的主动力为原动,建立了鱼体内力、鱼体运动和外界流体耦合作用的自主游动柔性鱼模型.分别对不同长度尾鳍、不同弹性模量鱼体以及鱼肌肉提供不同作用力下仿生鱼的自主直线巡游进行了数值模拟.分析了鱼自主游动的水动力学特征和鱼体运动特征,揭示了影响鱼游动速度的关键因素及其力学机理.

基于BDS的水质检测仿生鱼控制系统设计

随着工业技术和机器人技术的高度发展,基于仿生学原理的机器人研究成为热点,仿生机器鱼作为一种水下航行器引起了许多科研工作者的兴趣.2020年,北斗卫星导航系统(BDS)全球组网新时代开启,本文针对定时定点采集水质数据耗费人力物力的问题,提出一种基于BDS的仿生鱼控制系统,实现对水质的远程检测,该仿生鱼系统由嵌入式控制板STM32作为主控制器,负责接收各类传感器的数据并且处理,基于BDS定位、导航、授时和双向短报文通信功能,实现仿生鱼自主游动、避障、定深水质检测和将数据实时传输到远程监控端等功能.该设计可以提高工作效率,具有较好的应用前景.

基于微舵机控制的仿生鱼设计与实验分析

设计了微舵机控制的仿生鱼,结合鱼胸鳍和鱼尾鳍的配合动作,完成一系列的游弋动作。其中根据鱼类"波动推进理论"的游动机理,实现仿生鱼的前进、转弯运动;根据鱼类"胸鳍法理论"实现上浮、下潜运动;提出加减速游动方案,通过修改X值的方法,实现仿生鱼的加减速游。组装并进行水上模拟实验和水下实际实验,调试仿生鱼的各动作协调性,分析仿生鱼在水中的静态平衡和动态平衡问题。

胸鳍摆动推进仿生鱼研究进展与分析

作为一种新颖的应用于仿生机器鱼制作的推进模式,胸鳍摆动推进模式因其具有的独特优势而引起国内外科研人员的重视。本文系统介绍了国内外采用摆动胸鳍推进的仿生鱼的研究现状,重点分析了此类仿生鱼样机的结构特征和推进性能。通过对现有研究成果的分析,得出了胸鳍摆动推进式仿生的研究发展趋势。

Ag-IPMC的制备及其在仿生鱼中的应用研究

传统IPMC(离子聚合物金属复合材料)电极一般为贵金属,如铂、金等,为了节约成本,通过化学镀银制备了Ag-IPMC材料条,并将其应用于仿生鱼胸鳍和尾鳍驱动部件。通过无线蓝牙调节材料条驱动电压的方向和频率,以控制胸鳍和尾鳍的摆动,从而实现直线巡游、加速、减速和转弯运动模式。

仿生鱼推进器设计探讨

随着人类社会和科学技术的不断发展，设计出高机动性，高巡游速度，低流体扰动，低噪音的仿生鱼推进器具有重要的理论价值和广阔的前景。

仿生鱼鳍单元设计及运动仿真分析

利用电机-凸轮-滑块-曲柄机构,设计了一款仿生鱼鳍单元。对仿生鱼鳍单元的运动学进行分析,建立了凸轮运动参数与鳍条运动参数之间的关系。结合Adams仿真软件,分析凸轮角速度分别为π/6和2π/3 rad·s^(-1)时鳍条运动角位移、角速度和角加速度随时间的变化。结果显示:鳍条角位移、角速度和角加速度曲线均呈现等频率波动规律,但鳍条角加速度时间曲线相对零位呈现小幅度的不对称性;随着电机转速增加,鳍条角位移、角速度和角加速度的变化频率增大,幅值也随之增大。上述运动特征与生物鱼鳍的运动规律相符,该仿生鱼鳍单元结构设计为进一步研制仿生鳍推进器提供参考。

仿生鱼的运动控制算法设计与仿真实现

仿生鱼技术涉及控制学、流体力学、结构物理,材料学等多方面的知识,本文在对鱼类游动形态研究的基础上利用MATLAB软件对鱼类游动模型进行了仿真,并建立了数学模型,推导出了鱼类游动姿态曲线函数,进而设计了运动控制系统。

油浸式变压器微型仿生鱼全局路径规划策略

为有效检测大型变压器内部的故障位置和故障类型,通过利用微型仿生鱼对变压器内部进行视觉观测,可较直观地检查变压器内部故障。微型仿生鱼在检测过程中的路径规划是仿生鱼任务完成的关键。针对变压器内部复杂的三维空间,提出了基于人工势场法和蚁群算法的三维全局路径规划策略;并利用LABVIEW对变压器微型仿生鱼的三维全局路径规划结果进行了仿真分析。分析结果表明:当引入了人工势场法的相关机理,蚁群算法将不再盲目进行搜索;而是优先选取人工势场合力方向的临近栅格点,提高了算法搜索速度和全局寻优能力。基于人工势场法和蚁群算法的三维全局路径规划策略对微型仿生鱼进行了有效路径规划,具有较好的实用性,这对后续变压器微型仿生鱼样机的控制提供了重要参考。

智能仿生鱼系统的设计与实现

针对传统渔业养殖中渔场巡查和水质监测中大量人力物力损耗的问题,设计可实现自动化养殖的仿生鱼系统。集成循迹避障模块、定位模块和实时图像采集模块,搭载蚁群优化算法实现最优路径规划的水面航行和水面监测功能;集成水质监测传感器模块,搭载主成分分析算法实现实时水质评价;集成压水舱采样模块实现远程水体采样。仿真结果表明,该系统具备良好的路径规划和水质评价性能,可有效推动自动化养殖的实现。

基于仿生鱼体结构的平板减阻方法

海洋环境复杂,流速变化幅度大,一般的减阻方式在海洋中表现不稳定,为更好地适应海洋环境,文中提出一种新型减阻方法,并通过数值仿真与试验的方法验证了减阻效果。首先根据仿生学原理,选择推进方式为靠身体/尾鳍游动模式的鱼类作为研究对象,仿照鱼体重新建立模型。其次,通过数值仿真的方法研究模型长度、高度和厚度对减阻效果的影响,总结减阻规律并初步探究其减阻机理。通过流体试验验证了数值仿真的正确性。试验结果表明,随着模型长度的增加,其减阻效果会逐渐变差,但产生最佳减阻效果时的流速并不受长度的影响;模型高度的变化对整体减阻效果有很大影响;随着厚度的增加,模型将在更大的流速范围内出现减阻效果。重新建立的模型可以有效降低阻力,并具有广泛的流速适用范围,可以更好地适应海洋环境。