仿生正形尾鳍结构微通道流动与传热特性数值研究及结构优化

基于鱼类尾鳍在流动过程中的重要作用,仿生设计并建立了正形尾鳍结构微通道物理模型,研究了仿生尾鳍肋间距对微通道综合传热性能的影响,提取了尾鳍结构凹陷长轴相对长度Dt/Wch、决定尾鳍结构最大宽度的bt/Wch以及决定尾鳍结构最大高度的张角αt三个结构参数,数值分析了结构参数对仿生微通道平均摩擦因数、平均Nusselt数、综合性能因子以及热阻和泵功的影响规律;并通过均匀试验分析回归拟合和遗传算法多目标优化得到了正形尾鳍结构参数的最优解。结果表明,综合性能因子随着仿生肋间距的增大而减小,当间距为4 mm时,正形尾鳍结构微通道的综合性能因子变化范围为1.74~1.89,综合传热性能明显优于矩形光滑通道;随着Dt/Wch的增加、bt/Wch的减小或αt的增加,尾鳍结构微通道的综合传热性能提升,其中凹陷长轴相对长度Dt/Wch和高度张角αt影响较大。结构参数为Dt/Wch=0.476、bt/Wch=0.135、αt=146.96°时,微通道性能有较大提升。

仿生双尾推进的试验研究

针对单尾鳍摆动推进存在的机器鱼摇艏问题,理论分析了仿鱼尾鳍摆动过程中推力系数和侧向力系数的脉动情况,设计出仿生双尾推进器,并将其应用于小水线面双体船,开发出新型仿生双尾推进水上试验平台,同时,根据鱼类高效推进的机理,分析了仿生双尾推进器尾涡的相互影响.实验研究结果表明仿生双尾推进的尾鳍摆动频率和摆幅对推进性能影响较大,其中幅值的影响更加明显,月牙形尾鳍具有更高的推进效率.仿生双尾利用并发挥仿鱼推进的优点,具有良好的推进和操纵性能.

一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼

提出了一种摆动式柔性尾部的仿生机器鱼设计方案,着重解决了机器鱼摆动式推进的问题.在该方案中,应用曲柄摇杆原理,采用了特殊的四连杆摆动机构,结合柔性尾部实现了机器鱼的摆动式推进;巧妙应用了霍尔位置传感器,检测摆杆临界位置,实现了鱼尾位置判断,进而控制鱼尾来转向;研制了以气缸为压缩泵的气路沉浮机构作为'鱼鳔',能使机器鱼进行沉浮动作.实验显示这种机器鱼达到了预期的功能,在水下作业、军事侦察、娱乐等领域有一定的研究应用价值.

基于理想推进器理论的尾鳍推力与效率估算

鱼类尾鳍的动力学问题已经得到广泛研究,但是在进行尾鳍推进器的设计时,还缺乏一种简单有效的设计和估算方法,将尾鳍的运动参数与推力、效率联系起来;在观测和分析尾鳍流场的基础上,研究了2自由度尾鳍推进器的流场结构和推力形成原因;将理想推进器理论应用于尾鳍推进器的推力和效率计算,提出了射流及其诱导速度的量化假设,建立了推力、效率与运动参数、斯特劳哈尔数之间的函数关系;运用该函数对海洋动物的典型运动状态进行了估算,估算结果与动物观测现象基本吻合,该方法在机器鱼模型设计中得到了应用和验证。

基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统

为设计一种新型、游动效率高、可以实现沉浮运动的仿生机器人,以海豚为仿生对象,利用仿生学原理对基于尾鳍推进模型的三关节仿生机器海豚系统进行改进。研究海豚的背腹运动尾鳍推进模型,对原有模型中不便于工程实现的方面进行修正。在验证修正后模型可行性的基础上,设计一种三关节柔性尾部加刚性头部的机械结构以及控制流程和配套的电路系统,对机器海豚的沉浮运动进行动力学分析,提出利用PID控制实现平面运动的方法,通过实验验证机器海豚沉浮运动和平面运动的可行性,并给出机器海豚游动速度和尾鳍摆动频率及尾鳍摆幅之间的关系。实验结果表明,基于尾鳍推进模型的机器海豚具有较高的效率和游动速度。

形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器的仿真和实验研究

单尾鳍推进的仿生鱼会产生周期性的、较大幅度的侧向力,使得鱼体产生横向振荡和偏摆,不利于游动的稳定性。为了消除侧向力的影响,提出一种双尾鳍摆动推进的策略,通过双尾鳍的对称摆动来抵消摆动时产生的侧向力。研制了形状记忆合金丝驱动的仿生双尾鳍推进器,并通过仿真和实验的方法对双尾鳍的推进性能进行分析。

仿生机器鱼尾鳍拍动的控制算法

两关节尾鳍拍动控制是一个在高速、大载荷下的运动控制问题,它要求同时保证速度和位置波形失真都比较小.论证了尾鳍拍动推进方式与鱼体波动推进方式的一致性,根据尾鳍拍动的运动规律导出了用于拍动控制的数学模型.基于SPC-III机器鱼硬件平台,在主臂控制上,提出了根据摆角位置解算转速,并结合时间与摆角位置关系进行速度补偿的算法;在小臂控制上,提出了根据两关节摆角位置的关系及程序循环周期解算小臂目标位置的跟随算法.对高频拍动的实现进行了探讨.在试验中对尾鳍拍动的跟随性进行了验证.

一种仿生机器鳄的研制与性能测试

以仿生机器鱼的推进模式的研究为基础,文中设计研究了一种尾鳍式仿生机器鳄鱼。为减小身体外形对运动带来的阻力影响,用ANSYS软件对其身体线型进行流体仿真优化,得到一组合适的流线。其次基于曲柄滑块结构实现尾部在一定攻角下的左右摆动,通过不断测试得到曲柄杆尺寸与推进效率间的最佳关系。并针对单尾仿生推进引起的摇首所带来的平面转向问题提出解决方案。最终实现水陆之间跨地域前进、水面"S"形巡游、游域环境侦查等功能,验证机器鳄设计的合理性。

仿生尾鳍垂直轴风力机数值研究

为提高垂直轴风力机气动效率,基于仿生学原理,以鱼类尾鳍为仿生对象,提出在翼型尾缘布置仿生尾鳍结构,通过主动控制使其随叶片方位角变化而运动。以NACA0021为基础翼型,通过计算流体动力学(CFD)数值模拟,研究仿生尾鳍对垂直轴风力机气动性能的影响,对比分析原始翼型、固定尾鳍以及施加控制策略的主动尾鳍翼型垂直轴风力机风能利用系数、单叶片转矩系数、涡量云图及压力系数。研究表明:主动控制策略下仿生尾鳍可有效抑制流动分离;风能利用系数较原始翼型及固定尾鳍翼型最大可分别提高18.3%和26.7%;可使最佳工况向低尖速比方向移动,提高垂直轴风力机运行稳定性。

新型仿鱼尾推进装置设计与水动力学仿真分析

由电机驱动的仿生机器鱼在水下推进时主要依靠尾鳍摆动,大多数样机的驱动电机会在鱼尾的摆动过程中出现反转的现象,以致不能输出高转速的稳定性能。针对这些问题,对仿生鱼尾进行了推进装置结构优化,用一种新型的双斜面偏转关节带动鱼尾驱动。该模型的双电机驱动避免了频繁正反转带来的效率低下问题,能长时间正转保持额定功率的输出,提高了关节的功率密度。在此模型上进行了水动阻力的计算和仿真实验,更有效地模拟了水下环境。