计算流体力学方法在仿生机器鱼中的应用研究进展

计算流体力学是研究仿生机器鱼水动力特性的重要数值模拟方法,已在仿生学及海洋学等众多领域得到广泛应用。本文利用CNKI中文数据库及Web of Science核心合集数据库分别检索到201篇中文文献和146篇英文文献,运用Cite Space软件的文献计量学分析方法,对文献类型、期刊分布、发文量趋势、作者、研究机构和高被引文献进行了系统分析,并结合关键词网络知识图谱、关键词聚类图谱,探讨了计算流体力学在仿生机器鱼领域中的应用研究热点。结果表明:仿生机器鱼领域中外文献发文量呈现逐年上升趋势,且仿生类期刊及文献具有较高的影响因子与被引频次;研究学科领域涉及工程学、机器人学、力学与材料科学等多个交叉性学科;该领域内研究热点与重点方向为动力学模型、三维流场仿真、设计与制作。针对现有研究的不足,建议未来研究应深入探讨水生生物集群运动仿真、鱼类侧线感知机制和仿生机器鱼水动力试验,以期促进多学科融合,为仿生机器鱼的发展提供科学参考。

超临界流体技术在鱼油加工中的应用研究进展

旨在为鱼油产业的绿色可持续发展提供参考,系统介绍了超临界流体(SCF)技术在鱼油提取、鱼油中二十碳五烯酸(EPA)和二十二碳六烯酸(DHA)富集、鱼油结构改性及微胶囊化中的应用,并对SCF技术在鱼油加工中的发展方向进行展望。鱼油的SCF提取在较低温度和惰性环境中完成,能够有效防止脂质氧化,最大限度保持其天然生物活性。SCF技术可以去除鱼油中的异味、短链脂肪酸等,进一步富集EPA、DHA等ω-3多不饱和脂肪酸,大大提高产品的附加值,SCF还可作为鱼油酶促结构改性的溶剂介质,显著提高产品中EPA和DHA的含量。利用SCF技术生产鱼油微胶囊能够减少有机溶剂的使用,产品质量较好。综上,开发基于SCF技术的集鱼油提取、富集、微胶囊化为一体的连续化工艺,将成为未来研究方向之一。

淹没水射流式贝肉清洗装置设计与试验

随着贝类预制菜产业的发展,基于贝肉的精加工预制食品逐渐在市场上推广,虽然市场上清洗装置品类较多,但是尚未有适合各类贝肉产品清洗的装备,存在清洗效率低、洗净率差和易破损等问题。本研究基于淹没水射流机理,设计了以淹没水射流为清洗动力的贝肉清洗装置,并对清洗装置进行Fluent-EDEM耦合数值模拟,确定清洗装置的关键结构参数范围。通过2个阶段试验论证了该清洗装置的合理性,第1阶段通过清洗正交试验得出,当射流口直径为10 mm,清洗量为14 kg,清洗时间为6 min,淹没水射流式清洗效果最佳;第2阶段进行了生产性对比试验,并以洗净率和破损率作为评价指标,对比3种清洗装置洗净率。结果显示:以扇贝裙边为清洗对象时,淹没水射流式清洗装置的平均洗净率为97.77%,且无破损现象,较螺旋桨式清洗装置洗净率提高了14.4%,较超声波式清洗装置洗净率提高了7.3%;以鸟蛤肉为清洗对象时,淹没水射流式清洗装置的平均洗净率为98.23%,较螺旋桨式清洗装置的洗净率提高了12.49%,较超声波式清洗装置洗净率提高了6.7%,且无破损情况。研究表明,淹没水射流式装置具有较好的清洗效果,具备产业化推广价值。

鱼类游动机理研究进展

为了解决仿生机器鱼研制的关键问题,本文探究了鱼类的运动特征、受力及与水体的相互作用等游动机理,不仅有助于深入了解鱼类的演化过程,且对环境保护、仿生设计、农业与养殖业等领域提供了科学参考和创新思路。鱼类游动包括身体/尾鳍(BCF)和中间鳍/对鳍(MPF)两种模式,本文从理论研究、试验研究和数值研究3个方面综述了鱼类游动机理的研究进展,针对目前鱼类游动机理研究中存在的问题,提出了未来应在生物鱼推进系统、仿生鱼应用和多机器鱼协同作用等方面开展深入研究,以期为海洋渔业和海洋产业开发提供参考依据。

基于CFD模拟的无叶式吸鱼泵水动力特性分析

以一种新型无叶式吸鱼泵为研究对象,分别选取影响吸鱼泵模型样机水动力性能的多个参数,重点分析不同结构参数对无叶泵泵体结构内部的流场分布和水动力性能的影响。研究结果表明:无叶式吸鱼泵的泵体在射流间隙区域有高于注水口2.8~3.5倍的流速,在高流速区域的影响下,获鱼入口处产生低压区,使得此处流量倍增,无叶式吸鱼泵取得良好的吸鱼获鱼效果;随着泵体的射流开口逐渐增大,无叶式吸鱼泵的流量约提高2.1%,扬程约提升约1.5%;随着泵体导叶倾角的增大,无叶式吸鱼泵的扬程和流量产生小范围波动;若无叶式吸鱼泵的注水开口增加30%,则其流量将提升1.72倍,扬程约提升2.22倍。相比传统鱼泵,新型无叶式吸鱼泵具有结构简单轻便、作业稳定和负压区吸力大等优点,能降低劳动强度,提高水产养殖渔获的起捕效率;同时,利用柯恩达效应在泵体内部设计一种新型弧形导叶结构,有助于减轻射流出口对鱼体的切割伤害,降低鱼类损伤率。

机器鱼多鳍协同推进加速——滑行行为数值模拟

针对仿生机器鱼的自主推进问题,基于计算流体力学(CFD),实现了含有分离式的3自由度胸鳍与柔性尾鳍仿生机器鱼的自主推进数值模拟,并且分析了其在静水中直游的水动力性能与游动机理。该仿生机器鱼通过柔性波动的尾鳍与一对刚性摆动的胸鳍协同作用,使鱼体在流场中直线游动,其中胸鳍通过重新刻画的摆动曲线运动,尾鳍采用特定运动规律波动。分析不同占空比下机器鱼自主推进过程中的鱼体游动性能、水动力性能、流场的速度矢量、压力云图与三维涡结构。结果表明:胸尾鳍在推进过程中周期性的产生射流与漩涡共同推动了机器鱼的自主游动;胸尾鳍两侧在摆动时都伴随着较大压差,高压涡向后脱落为前进方向提供推力;推进过程中流场周围产生了较为复杂的涡结构,其中胸鳍产生的涡逐渐脱落,融合到尾鳍尾涡中,加强了推力;占空比越小,推力系数的峰值越大,推进效果越好,但功率消耗也增大。

井下鱼顶辨识系统设计及局部清洁仿真研究

针对现有的井下电视成像技术精度低,在井下浑浊介质内成像不清晰的问题,设计了一种适应油污环境的井下鱼顶辨识系统。为了取代传统的洗井过程,采用局部清洁化原理将浑水排挤开,使鱼顶呈现清晰照片。利用仿真软件,对局部清洁模块进行流体仿真及优化设计。仿真及试验结果表明,选择弯管排污的方式更为合适,故对此方式改变参数对比模拟结果。可以看出随着流速的增加,污水被排开的时间越短,排污效果越好;流速一定时,随着动力粘度的增加,污水被排开的时间越短,排污效果越好;在相同时间内,动力粘度越高,排污效果越好。通过该系统可以清晰地观测到落物的实际形状,完成对落物的检测,为目前油田修井领域存在的技术难题提供一种新方法。

超临界CO2提纯鱼油中二十碳五烯酸组分的试验研究

采用附加有精馏柱的间歇式小型超临界ＣＯ２萃取试验装备，试验研究了鱼油中二十碳五烯酸（ＥＰＡ）组分的分离提纯。为改善气液接触，萃取器内使用了转动不锈钢箔团，精馏柱内充填了Ｄｉｘｏｎ环。为获得高纯度ＥＰＡ，采用了逐步升高萃取压力。

三鱼群游流动干扰及其减阻机理的数值研究

观察研究发现,在鱼类的群游中,鱼体可以有效利用相互之间有益的干扰,减少游动阻力,增强自己的推力和游动效率。文中作者基于以往建立的动态混合网格生成方法以及不可压缩流非定常计算方法,对三鱼呈"三角"阵型排列的群游进行了数值模拟,通过对不同横向间距、不同流向间距、不同相位差等游动状态下的流场结构、力学特性的比较,分析了鱼体之间的横向干扰和流向干扰,研究了流动干扰减阻的机理。

鱼类“钻石”状群游流动干扰及其减阻机理的数值研究

观察研究发现,在鱼类的群游中,鱼体可以有效利用相互之间有益的干扰,减少游动阻力,增强自己的推力和游动效率。本文基于作者以往建立的动态混合网格生成方法以及不可压缩流非定常计算方法,对四鱼呈"钻石"阵型排列的群游进行了数值模拟,通过不同横向间距、不同流向间距、不同相位差等游动状态下流场结构、力学特性的比较,分析了鱼体之间的横向干扰和流向干扰,对其降低阻力、减少功耗的流动机理进行了探讨。

超临界CO_2提纯鱼油中二十碳五烯酸组分

鱼油中含多种多烯脂肪酸,其中二十碳五烯酸（简称EPA,速记式20巧。3）具有降低胆固醇、抑制血栓形成等药理作用,而二十二碳六烯酸（简称DHA,速记式22:6。3）具有健脑等生理作用’“.日本已于1990年开发出含EPA乙酯>92％的心血管系新药.

水流作用下渔网养殖空间变化的计算方法

渔网的动力分析是养殖网箱设计和优化的基础。通过把一系列杆相互铰接在一起,建立网的模型,模拟网在来流作用下的变形。作用在杆上的水动力可以通过Morison公式来计算,采用有限单元的离散方法,并利用网目合并的方法来减少总的自由度数目。模型的计算结果同试验成果做了对比,计算与试验在柔性网的变形方面,结果吻合良好。

超临界流体萃取-色谱法提纯鱼油乙酯中EPA-EE和DHA-EE

基于自主研发的超临界流体萃取-色谱一体装备,将超临界流体精馏技术和超临界流体色谱技术相结合,对乙酯化鱼油原料在超临界CO2中的溶解情况进行了系统研究,经多种单因素考察,探索了二十碳五烯酸乙酯、二十二碳六烯酸乙酯的分离纯化工艺,并探讨其影响因素。结果表明,鱼油乙酯中的EPA-EE和DHA-EE的最佳分离纯化条件:萃取温度梯度40~90℃,萃取压力14 MPa,CO2体积流量100mL/min,鱼油进样速率2 mL/min,以硅胶为色谱柱填料,色谱分离温度40℃,色谱分离压力14 MPa。在此条件下,鱼油乙酯中EPA-EE和DHA-EE质量分数由30%提升到87%。

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.

超临界流体萃取气相色谱法测定鱼肉中的毒死蜱残留

建立了利用离线超临界CO2萃取气相色谱(SFE-GC)测定鱼肌肉中毒死蜱残留量的分析方法.超临界CO2萃取鱼肌肉中毒死蜱的适宜条件为: 温度100℃,压力41.370 MPa,CO2流量为1 mL/min,动态萃取30 min,静态萃取时间15 min,调节剂甲醇(添加量0.5 mL),收集液丙酮.最小检出量为0.01 ng;添加回收率为77.3%～105.1%;相对标准偏差(RSD)为2.4%～15.4%,符合残留分析要求.全程分析时间小于2 h.

双色FISH检测未培养羊水及培养的外周血染色体标本方法的研究

目的 探讨双色荧光原位杂交 (dual -colorfluorescenceinsituhybridization ,D -FISH)技术在未培养羊水及培养的外周血染色体标本检测方法及实用意义。方法 选择 1 8号染色体计数探针 ,红色标记 ;2 1号染色体特异位点探针 ,绿色标记的双色探针对 30例未培养羊水细胞 ;5例正常者及 5例先天愚型患儿外周血培养标本进行D -FISH检测。结果 成功的 2 3例羊水标本 ,出现 2绿、2红双色杂交信号率 90 .91 %。改进后双色杂交成功率 1 0 0 % (2 3/ 2 3)。 5例染色体正常者 ,4例 2 1三体及 1例 1 8三体在间期细胞及染色体上均出现 2绿、2红 ;3绿、2红 ;3红、2绿杂交信号率分别为 94.6 %、93 .2 5 %、92 %。与羊水及外周血培养分析结果一致。结论 D -FISH技术不仅能检测培养的外周血标本 ,对未培养羊水细胞也是一种快速、简便、直观、成功率高的方法 ,在唐氏筛查中有较好的应用前景。

由超临界流体提取EPA和DHA的工艺实验研究

作者成功地设计了一套超临界流体萃取分离液相混合物的实验装置,研究了用超临界CO_2从纯鱼油中提取多烯不饱和脂肪酸,即EPA(Eicsapentaenoic Acid)和DHA(Docosahexaenoic Acid)的规律的研究。实验结果表明,在一定温度下鱼油总溶解量随压力增大而增加,基本上与溶剂密度成比例。本方法萃取效果比较高,EPA和DHA的浓度分别从3.9%和8.9%提高到6.5%和21.67%。

利用CFD技术对养殖工船养鱼水舱温度场和流场模拟及验证

为给养殖对象提供适宜生长条件,本文探究了冷水团养殖工船养鱼水舱水体温度、舱底流态与进水流速的关系。利用CFD(Computational fluid dynamics)技术模拟养鱼水舱的传热和流态,设计水舱保温方案,确定最佳进水流速,通过理论计算分析水舱保温效果。研究表明:在无保温层情况下,养殖水体温度与进水流速呈现函数关系:y=-1.75lnx+293.25,外界环境对舱内水体温度影响较大;保温层厚度为30和50mm时,两者均有良好的保温效果。流态模拟表明,该进排水条件下,池中心存在一定规模死水区,最小进水流量为76.3m3/h,此时池底水体旋转速度为17.2cm/s。经分析,可采用硬质聚氨酯泡沫作为水舱保温材料,玻璃钢内衬作为养殖舱壁。理论计算表明设计的保温方案可长时间满足养殖对象对水温的需求,但在高温时段舱盖板应及时关闭。通过温度场和流场数值模拟验证,模拟值与实测值对比,温度误差小于9.1%,速度模拟值和实验值可较好吻合。研究结果表明,所选湍流模型能对养鱼水舱温度场和流场准确模拟,外界温差13℃条件下,养鱼水舱保温层厚度为30mm,设计的保温方案具有良好保温效果,养殖水体水力停留时间应小于1.9h。

鱼油中EPA和DHA的富集研究

研究了尿素包合法与超临界CO2 萃取法从鱼油中提取分离EPA和DHA的工艺 ,探讨了脲酯比、超临界萃取压力、萃取温度等因素对EPA和DHA富集效果的影响。结果显示 ,脲包法和超临界CO2 萃取相结合可有效富集鱼油中的EPA和DHA ,其质量分数由 6.3 1 %提高至 5 6.7%。在实验考察范围内 ,脲酯比和超临界CO2 萃取温度对富集效果有较大影响 ,而超临界CO2 萃取压力的影响较不明显。确定了适宜的工艺条件 :脲酯比为 9:1 ,超临界萃取压力和温度分别为 2 4MPa和 45℃。