尾鳍摆动推进水动力与流动涡结构特征分析

作为BCF(body-caudalfin)推进模式中的典型代表,金枪鱼游动快,是重要的仿生研究对象之一。本文基于弹性光顺模型和局部网格重构模型动网格技术,建立仿金枪鱼尾鳍摆动推进流场RANS数值计算及涡结构提取分析方法,通过网格无关性验证,并与其它研究结果的比较验证数值计算方法的有效性。对尾鳍摆动推进过程中主要涡结构的产生与演化研究表明,尾鳍摆动推进水动力由St数主控,尾流中环状涡结构呈“之”形交错分布,并且随着St数增加,涡结构逐渐从单列演变成双列,推力系数逐渐增大。

双尾鳍船舶纵倾节能及其尺度效应的数值研究

纵倾节能是一种高效易行的船舶节能手段,针对纵倾节能应用,采用基于RANS求解的数值模拟方法,对不同缩尺比与纵倾角度工况下的双尾鳍内河船型绕流场进行了数值模拟。本文分析纵倾角度对阻力及其成分的影响规律;分析阻力随纵倾角度变化规律的原因并对纵倾节能相关的尺度效应进行探讨。结果表明,双尾鳍船舶以设计航速航行时,纵倾角度为首倾1.5°左右时阻力最小,且纵倾节能存在明显的尺度效应。

鱼类叉状尾鳍效率转捩点水动力性能研究

鲔科鱼类具有较高的游动速度和游动效率,因此成为了仿生机器鱼的理想生物原型。为了研究鲔科鱼类叉状尾鳍效率转捩点的水动力特征,针对推力和功耗的源项进行重点分析。尾鳍模型采用了相同的表面面积、展弦比和叉长。为了统一尾鳍形状的尺度,采用扫掠角用于表征不同的叉状尾鳍平面结构。研究发现鲔科鱼类尾鳍扫掠角的增加弱化了尾鳍的有效面积,导致了尾鳍摆动时推动流体向下游运动而受到的反作用力降低,因此尾鳍的推进能力也会随之衰退。另外,扫掠角的增加也引起了前缘涡强度的增加和前缘涡的发展,从而造成了更大的涡增推力。然而,过分增加扫掠角尽管存在功耗下降的优势,但也引起推力和水动力效率的下降,特别是对于高斯特劳哈尔数的情况。通过对推力的源项进行分析发现扫掠角对附加质量力和涡增推力存在相反的作用机制。

“观察小鱼尾鳍内血液的流动”实验教学创新设计

通过立足课标,引领教学—回顾传统,直击问题—立足教材,分析实验—深挖实验,构建概念,进行“观察小鱼尾鳍内血液的流动”实验教学创新设计,取得了很好的实验效果.

尾鳍间距对江海直达船快速性影响研究

文中以KVLCC2船型为对象进行了船、桨绕流场数值模拟方法的验证,对不同尾鳍间距的江海直达船进行了快速性数值预报,基于数值结果分解自航因子,并探讨了相关的规律与机理.结果表明:①排水量不变时尾鳍间距增大会使得湿表面积增加、浮心后移,分别是摩擦和粘压阻力增大的原因;②尾鳍间距较大时流经桨盘的流线所覆盖的尾鳍面积、逆压梯度、偏转程度更小,是导致推力减额随尾鳍间距增大而降低的原因;③采用传统等推力法分解自航因子时,桨前来流的周向预旋是导致自航点转速、进速系数、伴流分数等自航因子变化的主要原因,且传统方法所得的自航因子无法反映流动的真实情况.

基于参数化建模的双尾鳍节能尾型优化设计

在航运界节能减排的大背景下,我国内河船面临性能指标落后、缺乏持久竞争力等问题,亟待研发新一代船型。本文通过对影响双尾鳍水动力性能的关键参数组合进行研究,选定一组最佳参数并建立尾部全参数化模型。基于粘势耦合的数值计算方法,采用Sobol优化算法,以阻力和收到功率为优化目标对参考船进行参数优选,并多角度结合数值计算结果得到最终优化方案。经过拖曳水池模型试验,验证了优化线型具有良好的水动力性能。该方法在双尾鳍船型的线型设计阶段具有较高的工程应用价值,为常规双尾鳍内河船的快速设计提供了有效途径。

宽口裂腹鱼尾鳍细胞系的建立及其应用

宽口裂腹鱼为塔里木河水系的特有物种。为建立其尾鳍细胞系,笔者采用组织块法和胰酶消化法相结合,分别用含胎牛血清的DME/F12培养基体外培养尾鳍组织。初步建立宽口裂腹鱼尾鳍细胞系,细胞传代培养至45代。细胞呈悬浮生长,最适培养液为DME/F12,最适胎牛血清质量分数为20%,最适温度为25℃。第10代细胞的群体倍增时间为24.94 h,细胞呈“S”型生长。第6代细胞液氮冷冻保存180 d后复苏,经台盼蓝染色计数,(88.72±0.99)%的宽口裂腹鱼尾鳍细胞系具有活性,复苏后增殖速度快,可正常传代。细菌、真菌、支原体的鉴定未发现污染。第10代细胞线粒体16S rRNA基因测序结果与GenBank中基因序列做一致性对比,宽口裂腹鱼尾鳍细胞系与NC036933.1的一致率达99.91%,从分子水平证明,宽口裂腹鱼尾鳍细胞系来自宽口裂腹鱼。NaCl质量分数为8‰时,宽口裂腹鱼尾鳍细胞系的相对增殖率最高;NaHCO3质量浓度为7 g/L时,宽口裂腹鱼尾鳍细胞系的相对增殖率最高;宽口裂腹鱼尾鳍细胞系的相对增殖率随盐碱度增加呈先升后降趋势。

基于仿生理论的船舶双尾鳍设计优化

运输类船舶货载量较大,需要提升船舶稳定性与航行效率,因此设计了基于仿生理论的船舶外部造型设计优化方法。以鲸鱼鳍作为仿生对象,利用CATIA三维建模软件构建仿生鲸鱼鳍的几何模型,以该模型为基础计算仿生鱼鳍的运动学特性,以此模拟出应用在船舶的运动特性,确定该特性后,使用扩散光顺方法和局部网格重构方法实现仿生鲸鱼鳍模型的网格划分,将该仿生鲸鱼鳍应用于船舶实现船舶外部造型设计优化。试验结果显示,经过优化后的船舶外部造型兴波阻力与综合阻力更小,航行速度更快,即使在高载货量下依旧具有较为理想的稳定性,船舶外部造型设计优化效果较好。

尾鳍驱动型水下机器人发展综述

目的为提高尾鳍驱动型水下机器人的工作效率,优化尾鳍驱动装置的硬件和软件提供理论支撑。方法将中国知网数据库与Web of Science数据库作为研究数据来源,对相关文献进行系统梳理,使用Citespace和VOSviewer软件对文献作者、所属机构、关键词和研究热点进行可视化图谱绘制。结果通过对文献的分析,确定三个热点研究方向,分别是尾鳍驱动装置的外形结构设计、驱动方式和控制系统设计、材料设计,并根据各研究方向提炼出对应的研究方法:基于设计形态学、结构仿生学和工程优化的外形结构设计方法,基于自下而上和模块化的驱动方式设计方法,基于滑模控制、模糊控制和PID控制系统设计方法,以及基于仿生材料、智能材料和计算机模拟的材料设计方法等。结论对目前尾鳍驱动型机器人的主要研究内容、优势特点、存在问题、设计方法和未来趋势进行总结,为相关领域的发展提供参考和依据。

三关节尾鳍机器鱼的运动仿真分析

基于鲹科鱼的游动模式,建立三关节尾鳍驱动的机器鱼模型,并对三关节尾鳍进行运动仿真,分析其在不同摆动角度、不同摆动频率时的游动速度,探讨质心位置和动能随时间的变化情况,对比各个关节之间是否具有相位差时的游动姿态。结果表明:当机器鱼尾鳍三关节的摆动角度依次从10°增大到25°时,机器鱼的游动速度会随着摆动角度的增加而增大;当机器鱼尾鳍三关节的摆动频率在0.5~3 Hz内变化时,机器鱼的游动速度会先升高后下降;当尾鳍三关节之间具有相位差时,机器鱼尾鳍的游动姿态符合真实鱼的正弦摆动姿态。

仿生机器鱼胸尾鳍联动水动力学性能分析

针对尾鳍摆动仿生机器鱼游动迟缓、姿态不稳定的问题,文中提出一种胸尾鳍联动的仿生机器鱼,实现了仿生机器鱼外部轮廓、内部布局设计,提出了仿生机器鱼运动控制系统,为仿真和实验提供硬件基础;改进了仿生机器鱼运动学模型,提出了水动力学仿真中鱼体轮廓改变的运动函数;基于仿生机器鱼游动水动力学仿真分析,得到最优运动参数以及最优运动参数下的应力、流速、涡情况;采用仿真最优胸尾鳍运动幅度结果,改变胸尾鳍运动频率,设计实验研究了仿生机器鱼游动水动力学性能。仿真结果表明,以尾鳍摆动幅度72 mm、胸鳍转动角度水平正负45°、胸尾鳍运动频率均为3 Hz等运动参数进行仿真,无胸鳍辅助游动的推进力为2 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.6 N;实验分析结果表明,以最佳运动参数实验,无胸鳍辅助游动的推进力为1.57 N,有胸鳍辅助游动的推进力为2.57 N。仿真和实验均说明,有胸鳍辅助鱼体游动的推进力更大。

基于双向流固耦合仿真的新月形尾鳍水动力学特性研究

以新月形仿生机器鱼尾鳍为研究对象,基于双向流固耦合仿真技术,研究了新月形仿生机器鱼尾鳍的结构参数和运动参数对其水动力学参数的影响关系。结果表明:增大尾鳍摆角幅度和摆动频率有利于提高推进力,同时也带来了游动的不稳定性;相比于等厚度柔性尾鳍,变厚度柔性尾鳍具有更好的推进性能,符合真实鱼类尾鳍结构特征;柔性大面积新月形尾鳍的推进性能最优。

尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响

研究了尾鳍形状对摆动尾鳍推进性能的影响.设计了一套摆尾仿生推进装置,实验分析了仿金枪鱼、仿海豚、仿白鲸3种尾鳍的推进性能.同时采用数值方法对尾鳍的水动力性能进行了计算.实验和数值结果表明,仿金枪鱼尾鳍的平均推力系数和输入功率系数最小,推进效率最高.对尾涡的分析表明,仿金枪鱼尾鳍尾涡强度最弱,分布范围最小.

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。

柔性月牙尾鳍推进系统的分析

以柔性金枪鱼月牙尾鳍为对象,对三关节机器鱼建立物理模型,并用MATLAB进行仿真。由模型对机器鱼的推进动力及推进速度进行研究,探讨了前进速度、横移和摇摆的幅度、频率及其相位差对柔性尾鳍推进性能的影响。该方法实现的运动仿真与真实的鱼的运动基本一致,速度随着摆动频率的降低而减小,随着相位差的减小而增加,摆幅对速度的影响很大。

柔性仿金枪鱼月牙形尾鳍水动力分析

为研究鱼类高速游动机理,以金枪鱼月牙形尾鳍为对象,采用面元法计算分析了其非定常水动力性能。假设尾鳍在横移和摇摆的同时,以某一匀速向前运动,并假设其在弦向和展向以某一给定规律发生变形,以模仿柔性变形。探讨了前进速度、横移和摇摆的幅度、频率及其相位差对柔性尾鳍推进性能的影响,并与做相应运动的刚性尾鳍进行了对比。

大黄鱼仔稚鱼脊柱、胸鳍及尾鳍骨骼系统的发育观察

研究采用二重染色法对3—28日龄人工培育的大黄鱼Larimichthys crocea(Richardson)仔稚鱼的部分骨骼系统的发育进行观察。结果显示,仔鱼的脊索从6日龄(平均全长MTL3.9mm)开始分节,8—10日龄髓弓、脉弓先后开始发育,14日龄(MTL7.5mm)脊椎骨、髓棘、脉棘均已形成,至28日龄(MTL19.5mm)已发生骨化;大黄鱼仔鱼孵化时,胸鳍的上匙骨、匙骨、后匙骨、支鳍骨原基已形成,27日龄(MTL19.0mm)稚鱼具5块支鳍骨,鳍条发育完整;尾鳍发育以8日龄仔鱼脊索后端腹部2块尾下骨的形成开始,至14日龄仔鱼尾鳍已初具雏形,尾杆骨、尾上骨和尾下骨均发育完全,21日龄稚鱼尾下骨排列成弧状,第三与第四块尾下骨之间的缝隙增大,把尾鳍鳍条分为上下两部分,鳍条分节明显,28日龄稚鱼尾鳍尾杆骨及鳍条发生钙化。

压电宏纤维驱动的仿生尾鳍微推进力测量系统

提出了用于压电宏纤维(macro fiber composites,简称MFC)驱动的柔性仿锦鲤尾鳍推进力动态精密测量的悬臂式微推进力测量系统。基于矩形截面悬臂梁的纯弯曲和扭转变形理论,首先,提出微推进力测量构件的设计指标,其弯曲刚度实验标定结果与设计指标基本吻合,水下稳定摆动测试结果表明,MFC驱动的柔性仿生尾鳍在激励频率7,8 Hz时分别取得最大摆幅峰峰值5.08 mm和最大摆速104.3 mm/s;然后,开展了柔性尾鳍在最大摆幅及最大摆速状态下产生的微推进力动态测量实验,结果显示柔性尾鳍产生的推进力在一个稳定摆动周期内出现两次波峰起伏,且存在着时间占比不同的推进和拖拽两种状态。结果表明,最大摆速状态下,柔性尾鳍稳定摆动过程在65.6%的周期内为推进状态,产生的瞬时最大推进力和拖拽力分别为6.26和-2.50 mN,数值积分得到的周期平均推进力为1.90 mN,而柔性尾鳍最大摆幅状态下产生的平均推进力为0.26 mN。所提出的柔性仿生尾鳍及微推进力精密测量系统的具有较好的参考作用。

柔性尾长对尾鳍式压电泵的影响

为克服传统的容积型无阀压电泵存在的流动波动大、有回流、泵水能力差等通病,提出并设计模仿鱼尾摆动的无阀泵,并针对具有柔性尾鳍的变截面摆动子进行研究。在研究巡游速度最大的金枪鱼尾鳍摆动的基础上,设计具有柔性尾鳍的变截面摆动子;基于有限元分析软件ANSYS进行摆动子在水中的谐响应分析,提取不同长度的柔性尾鳍工作在二阶谐振下的端部振幅,分析表明,摆动子端部振幅对泵的理论流量影响较大;利用电荷耦合器件(Charge coupled device,CCD)激光位移传感器对摆动子的端部振幅进行测量,柔性尾鳍长度为5 mm时,摆动子的二阶弯振端部振幅达到0.4 mm,端部振幅随柔性尾鳍长度变化的趋势和ANSYS分析结果一致;对泵进行试验研究:在60 V的电压的激励下,柔性尾鳍长度为5 mm时,泵的压差达到78 mm。研究表明,在摆动子的其他结构参数一定的情况下,泵的性能对柔性尾长较为敏感,并存在最优的柔性尾鳍长度值。

身体/尾鳍推进模式仿生机器鱼研究的进展与分析

随着海洋资源越来越受到国家重视,水下机器人已成为科研的热点。仿生机器鱼作为水下机器人,具有低噪声、对环境扰动小等特点。身体/尾鳍推进模式(Body and/or caudal fin,BCF)仿生机器鱼是指以身体/尾鳍推进模式推进的仿生机器鱼,它具有高速、高效、机动性高等优势,是近年来仿生机器鱼研制的重点。随着1994年首条仿生机器鱼的研制成功,许多优秀的相关研制成果已应用到水下考古、水质监测、污染检测等领域。基于此,介绍BCF鱼类的分类及特点、BCF生物鱼以及仿生鱼的推进机理,并着重介绍国内外BCF仿生样机的研制进展,对已有样机的驱动方式、机械结构和游动性能进行详细分析,揭示不同驱动方式所面临的技术问题,在此基础上总结BCF仿生机器鱼的发展趋势和应用前景。