基于CFD的仿生水动力学数值计算方法及其验证

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略,对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明:基于CFD方法,采用结构与非结构混合的网格划分策略,应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟,通过与实验结果进行对比,验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

面向水面无人艇的船舶舷号识别方法

[目的]针对水面船舶舷号检测问题,提出一种面向水面无人艇的实时船舶舷号检测方法。[方法]基于原始的单阶段目标检测模型(YOLO),引入注意力机制,利用空间信息交互模块和分割注意力融合方法,提升神经网络对重要目标区域的敏感度。考虑先验知识对模型精度的影响,结合自适应锚框算法和正样本增强策略提高回归精度。针对深度神经网络(DNN)收敛困难的问题,改进损失函数,在保证网络收敛速度的同时提高神经网络训练的稳定性。最后,将改进的目标检查模型部署在无人艇上进行有效性验证。[结果]结果表明,所提算法在3级海情下能够准确识别船舶目标及其标志舷号,相比于原模型,改进后的YOLO算法在全类平均精度(mAP)方面提高了14%,识别速度满足实时要求。[结论]研究证明了所提舷号检测方法满足无人艇实时识别舷号任务的要求,并在复杂海洋环境中仍然具备识别能力。

基于前视角引导的欠驱动水面无人艇自适应路径跟踪控制

针对现有视线法路径跟踪控制器在工程应用中存在的航速自适应能力差、参数不易整定以及抗干扰能力差等问题,本文提出了基于前视角的水面无人艇自适应路径跟踪控制器。在传统视线法制导中的前视角,结合跟踪偏差状态以及Sigmoid函数提出了欠驱动无人艇的自适应前视角制导模型。在此基础上,基于最小参数学习的径向基神经网络和动态面控制技术设计了自适应航速航向跟踪控制器。基于Lyapunov稳定性理论,所设计的控制器可保证所有误差动态的一致最终有界。外场试验表明:在实际海洋干扰情况下,本文提出的控制算法具有良好的控制性能以及鲁棒性。

动态事件触发机制下的无人艇无模型控制

针对复杂海洋环境下无人艇的轨迹跟踪控制问题,本文结合滑模变结构控制与自适应控制,设计了无模型控制器,基于此提出了动态事件触发机制,利用Lyapunov稳定性判据证明了闭环系统一致最终有界,且不存在Zeno现象。仿真试验结果表明:在模型参数未知情况下,所提控制器具有良好的控制性能,可有效降低执行机构和能源消耗,为无人艇轨迹控制的实际应用提供了有效基础。

非冻结模型冰-螺旋桨切削状态的试验研究

冰-螺旋桨的切削过程十分复杂,如何精确掌握冰桨作用模式和揭示冰桨作用机理对冰区螺旋桨理论研究和设计极其重要。本文介绍了利用冰桨切削试验平台开展的不同冰材料、螺旋桨尺度、切削深度、冰推送速度及螺旋桨转速时的冰桨切削试验研究,以及对螺旋桨冰载荷、遮蔽效应和冰桨作用模式进行的测量和分析。试验结果表明:通过高速摄像机对冰桨切削过程的捕捉证明了桨叶遮蔽效应的存在;相同切削深度时,螺旋桨尺度越大,桨叶受到的遮蔽效应越严重;冰桨切削深度越深,桨叶受到的遮蔽效应越严重,且螺旋桨中受到遮蔽效应的桨叶也越多;随着冰块推送速度的增加,模型冰的破坏模式由剪切断裂破坏逐渐向局部挤压破坏和剪切断裂破坏转变;极地船舶破冰航行过程中,可适当地提高螺旋桨转速,以减小螺旋桨受到的冰载荷,提高破冰能力。

仿生机器鱼转向机动的水动力性能数值研究

将仿生机器鱼的C-型转向机动划分为弯曲阶段、保持阶段和伸展阶段,首先基于计算流体力学(CFD)方法建立了鱼体与流体相互作用的耦合求解方法,其次通过二次开发FLUENT实现机器鱼在C-型转向机动过程中鱼体的大变形运动,最后数值计算了机器鱼在C-型转向机动过程中的运动性能、水动力性能和流场涡结构。计算结果表明:仿生机器鱼在弯曲阶段和保持阶段进行快速的转向;在伸展阶段,机器鱼的艏向角速度和侧向速度快速的减小至零值,而前进速度则快速的增加,在伸展阶段结束时获得一个较大的前进速度;在滑行阶段,仿生机器鱼以获得的纵向速度向前滑行,并且纵向速度缓慢的减小。机器鱼的C-型转向机动能够实现小范围内的大角度转向;在弯曲阶段和伸展阶段鱼体的快速弯曲和伸展运动各产生一个涡环,每个涡环产生一个射流,射流产生作用于机器鱼上的水动力和力矩。

仿鱼尾潜器推进系统的水动力分析

以开发适用于小型潜器的仿生操纵与推进系统为研究背景 ,对金枪鱼的月牙形尾鳍进行水动力分析。文中将金枪鱼的尾鳍处理为在做横移和摇摆的耦合运动的同时 ,以某一匀速向前运动的月牙形刚性尾翼。计算中应用了双曲面元和压力库塔条件 ,利用面元法计算分析该三维尾翼的非定常水动力性能。探讨了前进速度、横荡和摇首的幅度。

脉冲上流式厌氧污泥床反应器的应用

将传统的连续式配水改为间歇式脉冲式配水，可改善反应器内的水力环境，促进基质与生物体之间的有效接触。脉冲配水使污泥的有机负荷ＣＯＤ达２７．５ｇ／（Ｌ·ｄ），ＨＲＴ降到约３ｈ，加速了污泥的颗粒化进程，４７ｄ培养出良好的颗粒污泥。脉冲配水不会造成冲击负荷和中间产物积累，也不会造成大量污泥流失。在高负荷条件下，颗粒污泥中确实出现了大量的八叠甲烷球菌凝块。

实尺度船舶快速性数值模拟方法综述

实尺度船舶快速性数值模拟方法是国内外关注和研究的重点。实船的水动力性能大多是通过模型尺度的结果外推得到的,然而船模不能同时满足傅汝德数与雷诺数相等,且一些外推方法的准确性还有待考证。论文从实尺度数值模拟的尺度效应问题出发,简要介绍船舶数值模拟方面的关键问题,并从网格、湍流模型、时间步长和壁面粗糙度等角度归纳和分析实尺度船舶快速性数值模拟方法的研究现状。基于研究现状,提出尚需进一步解决的问题。该文旨在介绍目前实尺度船舶快速性的研究进展,希望为今后船舶水动力性能研究提供参考。

滑行艇在规则波中的数值模拟(英文)

针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足,提出了一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法,实现其在波浪中自由运动的水动力性能预报。首先根据水波理论利用CFD技术完成了三维数值水池的造波和消波,然后以某型滑行艇为模型,将六自由度方程赋予滑行艇,实现了其在迎浪匀速航行时随波浪的自由运动,最后通过Fluent数值计算得到了其在波浪中自由运动时的阻力、升力、升沉位移、纵倾角以及兴波等流场参数。计算结果表明:利用该方法获得的某型滑行艇的流场参数较真实地反映了滑行艇在波浪中的姿态,为滑行艇耐波性实验提供了一定的理论依据。

三体槽道滑行艇阻力模型试验研究

为准确评估三体槽道滑行艇的水动力性能,研究该船型的阻力特性和船型特征,对该船型进行了阻力模型试验研究.在不同排水量和重心纵向位置处进行多次拖曳阻力试验,监测其阻力值、重心升沉和纵倾角,研究了重心位置和排水量对该船型阻力性能的影响.试验结果表明:该三体槽道滑行艇有较高的承载能力且具备独特的阻力特性,当航速持续增大越过高速阻力峰时,由于气动力与水动力综合作用船体被抬升,吃水减小导致阻力值发生明显回落,且阻力峰出现的航速与重心纵向位置和排水量大小均相关.

鱼雷形水下机器人非线性航迹跟踪控制

研究了欠驱动自主式水下机器人路径跟踪问题.在Serret-Frenet移动坐标系下,基于虚拟目标机器人建立了路径跟踪误差动力学方程.在此基础上,结合水下机器人动力学方程,设计了基于Lyapunov稳定性理论和反步法技术的控制器.仿真结果表明,提出的非线性反馈控制律能够保证路径跟踪误差快速收敛到零,使机器人沿着参考路径航行.

船舶螺旋桨尾流场的数值分析

利用基于速度势的低阶面元法计算船舶螺旋桨的尾流场。采用计算较为简捷的关于扰动速度势的基本积分微分方程 ,并采用双曲面形状的面元以消除面元间的缝隙。Newton -Raphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件 ,使桨叶上下表面的压力在随边有良好的一致性。在计算面元的影响系数时 ,应用了Morino导出的解析计算公式 ,加快了数值计算的速度。从解面元法的基本积分方程得到的偶极强度和源汇强度 。

摆动尾鳍水动力性能的试验和数值研究

鱼类能够在水下高速度、低噪音、高效率地游动。鱼类出色的推进性能通过其摆动尾鳍实现。这种摆动尾鳍推进方式已经用在了水下无人航行器上。因此研究摆动尾鳍的水动力性能是非常有意义的。对摆动尾鳍的推进水动力性能进行了详尽的研究。设计、装配了一套仿尾鳍推进系统,并对其进行了相应的水动力试验。在试验中研究了运动参数对摆动尾鳍水动力性能的影响。与此同时,采用基于雷诺平均N-S方程的数值方法对摆动尾鳍的水动力性能进行了研究。在数值计算中采用了k-ωSST湍流模型和有限体积法。数值计算结果和水动力试验结果进行了比较。对尾鳍表面的压力分布和流场中的尾涡结构进行了分析。水动力试验和数值计算都表明摆动尾鳍可以产生推进力和较高的推进效率。

船舶螺旋桨叶片环量的数值优化

螺旋桨叶片环量分布的优化问题是船舶螺旋桨理论设计中的重要课题 ,以往的求螺旋桨叶片最佳环量分布的方法多基于Betz条件 ,因而只对均匀来流的情况是正确的 .利用螺旋的升力线模型和变分法原理对螺旋桨叶片环量分布进行了数值优化 .优化可分别在给定推力负荷系数和给定功率负荷系数的情况下进行 .数值优化计算中计入了粘性影响和来流的径向非均匀性 ,并以采用镜像涡的方式考虑了桨毂的影响 .在文中计算的各种情况下都得到了合理的优化结果 .

仿胸鳍推进系统的水动力分析

针对刚性胸鳍建立了二自由度、三自由度的运动模型,同时提出了行程时间比运动模型.在此基础上,从面元法出发,根据偶极子分布与漩涡分布的等效性,发展得到非定常涡格法的理论公式,利用非定常涡格法分析刚性胸鳍的水动力性能.胸鳍的运动由静止突然加速到恒定,在每个时间步长内用定常涡格法求解附着涡的涡强.自由涡由边缘泄出,并按时间步长逐步自动生成,并考虑其强度的耗散.采用B iot-Savart定理求涡系的诱导速度,通过非定常伯努利方程导出压力计算公式,从而得到胸鳍的水动力性能.

水下大型搭载平台与微小型机器人的干扰性能研究(英文)

文章采用 CFD 技术计算大型水下搭载平台与微小型水下机器人之间的水动力干扰性能。作为对水下搭载的可行性的验证,研究了二维物体和壁面的干扰,进而计算了在不同来流速度和距离时的阻力、升力和倾覆力矩性能。同时计算了大型搭载平台与微小型机器人在不同来流速度和不同距离改变时的阻力、升力和倾覆力矩性能。此外,对微小型水下机器人的中纵剖面的压力和速度分布进行了细致的分析。

三维随机海浪交互式仿真技术研究

随着自然现象的交互式模型不断发展,海浪的可视化模拟日益受到关注。通过研究三维随机海浪的仿真技术,基于Gerstner海浪模型开发仿真系统,并利用海浪谱对其进行仿真控制。此外,从网格模型的建立与优化,纹理映射与光照三个方面讨论了三维海浪的仿真方法。仿真结果表明,该系统不仅可以实现实时、逼真的三维随机海浪仿真,同时具有较好的交互性。

柔性尾鳍仿金枪鱼水下机器人自主游动研究

文章数值模拟了柔性尾鳍的仿金枪鱼水下机器人从静止加速到稳定巡游的自主游动过程,分析了其运动过程中的运动和水动力性能特点及变化,并与刚性尾鳍模型进行了比较。同时详细分析了尾鳍的运动参数如频率,摆动幅度,横移振幅对仿金枪鱼自主游动过程的影响。结果表明,仿金枪鱼在启动加速时效率较低,柔性变形可以较大地提高仿金枪鱼的推进效率;尾鳍的运动参数对自主游动过程有很大的影响:在一定的范围内,增大尾鳍的运动频率、摆动幅度和横移振幅可以提高运动速度、推力和推进效率,但过大的摆幅会降低推进效率。

具有任意给定压力分布形式的三维机翼数值设计

利用一种数值迭代方法设计具有任意给定的升力系数和压力分布形式的三维机翼。方法中对于一定的目标压力分布,取一初始机翼,并由基于速度势的面元法计算三维机翼的流体动力性能,逐次改变初始机翼某一点的形状,计算由此引起的压力分布的增量,形成Jacobian行列式,由目标压力分布与初始机翼的压力分布的差修改初始机翼,重复这一过程得到具有目标压力分布的机翼。再由该机翼升力系数与给定升力系数的差修改目标压力分布,重新设计机翼,最后迭代得到符合设计要求的三维机翼。