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鱼类自主游动推进机理与游动性能二维数值模拟研究
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作者 贾瑞 杨光 +3 位作者 万宇 张鹏 杜洪波 李文杰 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2024年第10期1559-1569,共11页
推进机理及游动性能研究对鱼类洄游通道建设具有重要意义。利用计算流体动力学方法结合重叠网格技术,通过编译控制鱼体摆动的UDF程序,对二维鱼类自主游动进行模拟,分析鱼体压力场分布及反卡门涡街结构演化过程与参数变化情况,开展不同... 推进机理及游动性能研究对鱼类洄游通道建设具有重要意义。利用计算流体动力学方法结合重叠网格技术,通过编译控制鱼体摆动的UDF程序,对二维鱼类自主游动进行模拟,分析鱼体压力场分布及反卡门涡街结构演化过程与参数变化情况,开展不同摆尾频率、摆尾幅度、鱼体体形及尾鳍尺寸等参数下鱼类游动性能及鱼体受力的变化情况,揭示鱼类自主游动过程中的游动机理。研究结果表明:(1)鱼体尾鳍周期性往复摆动下漩涡脱落形成反卡门涡街,是鱼体前进推力的主要来源,且随着摆尾频率、摆尾幅度的增加,鱼体尾部涡街长度、涡街强度逐渐增加,而摆尾幅度对涡街宽度的影响较大;(2)随着摆尾频率、摆尾幅度的增加,纵向平均合力系数和最大侧向力系数均增大,使得鱼类获得较大的游动速度,但摆尾频率改变时平均合力系数和游动速度的增加更为明显,摆尾幅度改变时最大侧向力系数的增加更为明显;(3)随着体宽指数的增加,纵向平均合力系数逐渐减小,需克服的游动阻力增加,使得鱼类游动速度逐渐减小,而最大侧向力系数逐渐增加;(4)随着尾鳍指数的增加,纵向平均合力系数和最大侧向力系数均增大,使得鱼类游动速度逐渐增大。研究成果可为鱼类生境恢复营造提供支撑。 展开更多
关键词 推进机理 游动性能 摆尾频率 摆尾幅度 体宽指数 尾鳍指数
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双鱼集群水动力和游动性能研究
2
作者 徐康康 银波 +2 位作者 石艳柯 郭迪龙 黄顺 《力学与实践》 2024年第5期919-929,共11页
为探索鱼类在群聚游动中水动力相互作用以及游动性能的影响,采用基于虚拟单元的锐利界面浸没边界法对双鱼以不同横向间距、纵向间距和尾摆相位差游动的问题进行了数值研究,并对双鱼的水动力性能和流场进行了综合分析。研究结果表明,在... 为探索鱼类在群聚游动中水动力相互作用以及游动性能的影响,采用基于虚拟单元的锐利界面浸没边界法对双鱼以不同横向间距、纵向间距和尾摆相位差游动的问题进行了数值研究,并对双鱼的水动力性能和流场进行了综合分析。研究结果表明,在适当的位置和相应的尾摆相位差下,跟随鱼的游动性能可以得到显著的提高,同时影响领头鱼的游动性能。本文建议横向间距的最佳选择不应小于0.3倍体长。此外,通过考虑流场压力来探究双鱼间的水动力相互作用机制,发现双鱼间推力的产生同时受贴体压力和尾流动力的影响。分析表明,这两种影响的主导地位会随着双鱼间的位置变化而改变,当流向间距小于0.4倍的体长时,由贴体压力主导,当流向间距大于0.4倍的体长时,则改为由尾流动力所主导。这项研究可以为生物的集群游动力学机理提供一些见解,并支撑仿生潜航器的研制。 展开更多
关键词 双鱼游动 浸没边界法 水动力 游动性能
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仿生机器魟鱼研制与游动性能实验研究 被引量:6
3
作者 王扬威 闫勇程 +1 位作者 刘凯 赵东标 《浙江大学学报(工学版)》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第1期106-112,共7页
为了开发一种游动稳定性和机动性高的水下机器人,从鳐科模式游动的魟鱼胸鳍波动推进中得到灵感,在分析肌肉和骨骼结构的基础上,设计带有环形长鳍的仿生机器魟鱼,研究机动游动的控制策略.研制仿生机器魟鱼样机.基于游动图像序列处理方法... 为了开发一种游动稳定性和机动性高的水下机器人,从鳐科模式游动的魟鱼胸鳍波动推进中得到灵感,在分析肌肉和骨骼结构的基础上,设计带有环形长鳍的仿生机器魟鱼,研究机动游动的控制策略.研制仿生机器魟鱼样机.基于游动图像序列处理方法,通过实验研究波动频率和幅值对游动性能的影响.结果表明,仿生样机能够实现与魟鱼相似的游动运动,游动稳定性好、机动性高,直线游动速度和原地转弯速度随波动频率和波动幅值的增大而增大,最大直线游动速度为109mm/s,最大原地转弯速度为93°/s. 展开更多
关键词 水下机器人 魟鱼 波动推进 控制策略 游动性能
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尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响 被引量:5
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作者 陈维山 夏丹 +1 位作者 刘军考 石胜君 《机械工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2011年第3期1-7,共7页
将速度收敛算法应用于仿鱼机器人自主游动的数值模拟研究中,以鱼体静止为初始条件,通过检验游动过程中的作用力动态修正游动速度,使其收敛到稳态值,进一步在收敛速度的基础上,研究尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响,揭示其推... 将速度收敛算法应用于仿鱼机器人自主游动的数值模拟研究中,以鱼体静止为初始条件,通过检验游动过程中的作用力动态修正游动速度,使其收敛到稳态值,进一步在收敛速度的基础上,研究尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响,揭示其推进机理和流场结构。计算结果表明,改变尾鳍运动的相位差和最大击水角度,采用速度收敛算法可以有效地预测仿鱼机器人的稳态游动速度,进而获得尾鳍运动行为与稳态游动的推进力、功率消耗和推进效率的映射关系,三维流场结构清晰地反映了尾鳍运动行为对尾迹结构、尾迹强度的影响机制。研究结果对于预测仿鱼机器人的稳态游动速度,揭示尾鳍运动行为对仿鱼机器人稳态游动性能的影响机制,设计仿鱼机器人的运动参数具有重要意义。 展开更多
关键词 仿鱼机器人 尾鳍运动行为 稳态游动性能
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机器鱼游动性能改善方法 被引量:6
5
作者 孙琴 武海健 夏庆锋 《兵工自动化》 2014年第12期67-71,共5页
为了提高机器鱼的推进速度和推进动力,对机器鱼尾鳍的大小和形状进行改善。通过分析仿生机器鱼的波动方程得到尾鳍面积与推力的关系,从鱼尾形状、鱼尾弧口深度、鱼尾大小、鱼尾软硬度4个方面出发,依次采用solidworks设计了鱼尾形状,根据... 为了提高机器鱼的推进速度和推进动力,对机器鱼尾鳍的大小和形状进行改善。通过分析仿生机器鱼的波动方程得到尾鳍面积与推力的关系,从鱼尾形状、鱼尾弧口深度、鱼尾大小、鱼尾软硬度4个方面出发,依次采用solidworks设计了鱼尾形状,根据2种软硬度下不同形状的游动速度,得到最佳形状及软硬度,在此最佳形状的基础上改变弧口深度,并通过实体实验确定了最佳鱼尾大小方案。实验结果表明:机器鱼的游动性能受鱼尾形状、大小、软硬度等多个因素共同影响,使用较软材料的月牙形鱼尾对鱼游行较为有利。 展开更多
关键词 机器鱼 游动性能 鱼尾
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拍动式仿鹞鲼水下机器人设计及其游动性能试验 被引量:4
6
作者 郭松子 马俊 +1 位作者 李志印 张进华 《中国舰船研究》 CSCD 北大核心 2022年第4期139-144,共6页
[目的]自然界中的鱼类经过长期的自然选择过程,进化出了各具特色的水中推进模式,具有推进效率高、机动性强与噪音低等优点,是水下航行器的理想仿生对象。为研制新一代低噪声、高机动性的自主水下航行器(AUV),以拍动推进的鹞鲼为仿生对象... [目的]自然界中的鱼类经过长期的自然选择过程,进化出了各具特色的水中推进模式,具有推进效率高、机动性强与噪音低等优点,是水下航行器的理想仿生对象。为研制新一代低噪声、高机动性的自主水下航行器(AUV),以拍动推进的鹞鲼为仿生对象。[方法]通过分析其胸鳍内在的解剖结构,提出了一种采用对侧柔性胸鳍拍动推进的仿生机器人设计方案,并详述了实验样机本体的制作过程及其底层驱动控制方法。为测试机器鱼样机的游动性能,在实验水域中对所设计的原型样机展开了一系列游动性能测试。实验中测试了机器鱼样机在不同拍动频率下的游动速度,并在确定最大游动速度后,对其进行了机动性能测试。[结果]结果表明,所设计的实验样机能在水中完成包括翻滚、小半径转向与横滚盘旋在内的多种机动动作,其最大游动速度可达1.9倍体长每秒(约为0.73 m/s)。[结论]研究初步完成了拍动式仿鹞鲼水下机器人的设计与测试工作,为新一代高性能水下推进器的设计提供了一定的参考价值。 展开更多
关键词 自主水下航行器 仿生机器人 游动性能试验
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柔性机器鱼的动力学建模及其游动性能分析 被引量:3
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作者 崔祚 姜洪州 刘圣陶 《科学技术与工程》 北大核心 2020年第36期14994-14999,共6页
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黏弹性机械特性、水动力学特性等因素存在着复杂关系。根据Lighthill细长体理论,通过建立柔性机器鱼的动力学模型,求解其在... 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黏弹性机械特性、水动力学特性等因素存在着复杂关系。根据Lighthill细长体理论,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,并结合鳕鱼的生物学数据,进一步分析了在"谐振"状态下机器鱼动力学参数与游动性能之间的关系。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,初步探索了鱼体动力学参数与其游动性能之间的关系。 展开更多
关键词 黏弹性鱼体 动力学分析 固有频率 游动性能
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鳗鲡科鱼类变刚度特性对推进性能影响研究
8
作者 张旭尧 崔祚 +1 位作者 尹存宏 程安楠 《力学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期273-284,共12页
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... 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. 展开更多
关键词 鳗鲡科鱼类 肌肉驱动 变刚度 游动性能
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基于水平集和浸入边界方法的鳗鲡科鱼类游动模拟研究 被引量:2
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作者 崔祚 汪阳生 周后村 《船舶力学》 EI CSCD 北大核心 2022年第10期1409-1419,共11页
在自然界中,85%鱼类利用身体和尾鳍的往复摆动,在高雷诺数的非定常流体环境中获得快速高效和高机动性的游动性能,而鱼类游动的数值模拟通常具有几何外形复杂和边界运动等难点。本文利用水平集方法(level-setmethod)描述鱼类复杂的几何外... 在自然界中,85%鱼类利用身体和尾鳍的往复摆动,在高雷诺数的非定常流体环境中获得快速高效和高机动性的游动性能,而鱼类游动的数值模拟通常具有几何外形复杂和边界运动等难点。本文利用水平集方法(level-setmethod)描述鱼类复杂的几何外形,并将水平集方法和浸入边界法(immersedboundarymethod)相结合模拟柔性鱼体与流体间的相互作用力,研究鳗鲡科鱼类摆动曲线参数以及流体雷诺数对游动性能的影响。结果表明:鳗鲡科鱼类可通过增大摆动幅值来获得快速游动速度,但功率消耗会明显增大;同时会选择合适的鱼体波波数来获得最优游动性能。上述研究结论与鱼类在自然界中的实验观测相吻合。最后,通过设置不同的鱼类外形和鱼类的摆动曲线,发现鱼类游动性能依赖于鱼体外形和鱼体波参数的合理匹配,该研究为鱼类在自然界的优化选择提供了理论解释。 展开更多
关键词 浸入边界法 水平集方法 鳗鲡科鱼类 游动性能
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两关节压力驱动柔性仿生机器鱼的设计与仿真 被引量:12
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作者 教柳 张保成 +1 位作者 张开升 赵波 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第3期817-827,共11页
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... 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. 展开更多
关键词 仿生机器鱼 柔性 液压 游动性能
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Real and Legal Nutritional Alternative (e.g. Application of Free Amino Acids) to Replace Forbidden Doping Substances to Produce Excellent Sport Performance
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作者 Andras S. Szabo 《Journal of Life Sciences》 2013年第3期308-312,共5页
Peformance enhancing drugs are widely used today in different sport fields, and therefore the successful anti-doping activity should be based not only on regular doping controls, but also it should show the real alter... Peformance enhancing drugs are widely used today in different sport fields, and therefore the successful anti-doping activity should be based not only on regular doping controls, but also it should show the real alternative: how to replace the forbidden doping substances with legal and effective supplements. The paper deals with application proposition of protein concentrates, free AA (amino acids), HMB (hydroxy-methyle-butyrate), creatine and camitine. If the athlete is involved in strength and power sport (e.g. throwing events in track and field, olympic weightlifting etc.), the explosive and maximum strength is of primary importance. For strength athletes, these mentioned substances are those legal preparates, supplements, which can help effectively in performance improvement of sport results. The main reason is that using protein concentrates, AAs, HMB, creatine and camitine, the anabolic (and anticatabolic) effect will enhance the protein biosynthesis of the organism, improve the aerob and anaerob capacity of the athletes, activate and stimulate the own hormonal system. And the final result is creating higher loadability because of the faster recovery, and higher performance level on the competition. Of course, the athletes--as a minimum requirement--need an adequate nutrition (good balanced nourishment), as well, with appropriate application and supplementation of all vitamins and essential minerals. 展开更多
关键词 Camitine CREATINE HMB protein concentrate strength supplement.
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Numerical simulation of the effect of upstream swirling flow on swirl meter performance 被引量:4
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作者 CHEN Desheng CUI Baoling ZHU Zuchao 《Journal of Thermal Science》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第2期117-124,共8页
Flow measurement is important in the fluid process and transmission system. For the need of accuracy measure- ment of fluid, stable flow is acquired. However, the elbows and devices as valves and rotary machines may p... Flow measurement is important in the fluid process and transmission system. For the need of accuracy measure- ment of fluid, stable flow is acquired. However, the elbows and devices as valves and rotary machines may pro- duce swirling flow in the natural gas pipeline networks system and many other industry fields. In order to reveal the influence of upstream swirling flow on internal flow fields and the metrological characteristics, numerical si- mulations are carried out on the swirl meter. Using RNG k-e turbulent model and SIMPLE algorithm, the flow field is numerically simulated under swirling flows generated from co-swirl and counter-swirl flow. Simulation results show fluctuation is enhanced or weakened depending on the rotating direction of swirling flow. A coun- ter-swift flow increases the entropy production rate at the inlet and outlet of the swirler, the junction region between throat and divergent section, and then the pressure loss is increased. The vortex precession dominates the static pressure distributions on the solid walls and in the channel, especially at the end region of the throat. 展开更多
关键词 Swirl meter Numerical simulation swirling flow vortex precession
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Effect of a Curved Duct Upstream on Performance of Small Centrifugal Compressors for Automobile Turbochargers 被引量:1
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作者 Shigeta Kikuchi Nobuhiko Yamasaki Akihiro Yamagata 《Journal of Thermal Science》 SCIE EI CAS CSCD 2013年第1期92-96,共5页
Since the automobile turbochargers are installed in an engine compartment with limited space, the ducts upstream of the turbocharger compressor may be curved in a complex manner. In the present paper, the effect of a ... Since the automobile turbochargers are installed in an engine compartment with limited space, the ducts upstream of the turbocharger compressor may be curved in a complex manner. In the present paper, the effect of a curved duct upstream on performance of small centrifugal compressors for automobile turbochargers is discussed. The computational fluid dynamics (CFD) analysis of a turbocharger compressor validated for the compressor model with the straight pipe applied to the compressor with the curved pipe are executed, and the deterioration of the performance for the curved pipe is confirmed. It is also found that the deterioration of compressor performance is caused by the interaction of the secondary flow and the impeller. 展开更多
关键词 Cartesian grid cylindrical grid validation calculation
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Slat Noise Suppression Using Upstream Mass Injection
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作者 黄华 李伟鹏 王福新 《Journal of Shanghai Jiaotong university(Science)》 EI 2013年第5期620-629,共10页
A new approach,mass injection near the slat cusp,is proposed for the suppression of slat noise.The mechanism and efciency of the slat noise suppression using upstream mass injection are numerically studied with hybrid... A new approach,mass injection near the slat cusp,is proposed for the suppression of slat noise.The mechanism and efciency of the slat noise suppression using upstream mass injection are numerically studied with hybrid Reynolds-averaged Navier-Stokes simulation/Large eddy simulation(RANS/LES)of a three-component high-lift model.Ffowcs-Williams and Hawking(FW-H)integration is employed to obtain far-field acoustic characteristics.Results show that with injection,aerodynamic capability of the high-lift devices is sustained.In addition,a considerable noise reduction is observed in the downward direction.With detailed analysis of the time-averaged and instantaneous flow fields,two mechanisms are identified as the reason accounting for the noise suppression:upstream mass injection significantly reduces the scale and strength of the vortices stemming from the cusp;the shear layer is lifted up,which relieves the shear layer impingement on the slat lower surface. 展开更多
关键词 slat noise upstream mass injection detached-eddy-simulation(DES)
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