仿生水翼推进系统研制与实验研究

为探讨水下非螺旋桨推进方式,进行了海龟水翼法推进仿生技术研究.研制了"Leonardo"号仿生水翼推进系统,包括推进执行系统、控制与感知系统和通讯与能源系统等,并进行仿生水翼推进系统直航和原地转艏运动的变参数测试实验,验证了数值模拟试验中水翼运动水动力对于系统运动的影响.实验结果表明,水翼拍旋角速度对于系统的直航速度呈...     

仿生机器人研究进展及仿生机构研究

以自然界仿生对象为基础,介绍了国内外现有的5类仿生机器人——仿飞行生物机器人、仿陆地生物机器人、仿水下生物机器人、仿水陆两栖生物机器人及仿人机器人的研究现状及最新进展,详细阐述了每种仿生对象的特点,仿生机器人的基本结构、性能特征及应用前景.在分析仿生机器人机构特性的基础上,提出并阐述了仿生机器人仿生机构的冗余驱动原理、欠驱动仿生原理、变胞结构设计、运动稳定性设计、高承载自重比设计,以及新型仿生材料设计等重要研究内容.     

仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构设计与水动力分析

为了提高水下无人航行器推进系统效率,设计仿生蝠鲼胸鳍摆动推进机构及其摆动形式. 在研究蝠鲼胸鳍运动机理的基础上,设计摆动幅值与急回系数相互解耦的曲轴联合曲柄摆杆机构,以实现仿生胸鳍的特定摆动形式. 推导并建立仿生胸鳍的鳍面运动方程,利用数值仿真分析单侧胸鳍在该摆动形式下的水动力特性,根据设定的推进性能评价指标说明该摆动形式相对正弦摆动形式的优越性. 通过实验验证装置的前进、转向等运动性能,分析胸鳍摆动幅值、频率与运动速度的关系. 结果表明,在特定的摆动形式下,该仿生胸鳍摆动推进机构能够实现水下无人航行器的前进、转向等预定运动,满足基本推进要求.     

一种仿骆驼足的设计与仿真分析

设计了一种基于仿生学的仿骆驼机械足,可应用于四足步行机器人。首先介绍了四足机器人的总体设计方案;然后根据骆驼足在沙地、软土地行走的功能特点,设计出仿骆驼足运动机构,并对机构进行了运动学分析;运用Solidworks对仿生机构进行建模,并通过Adams和Solidworks对建立的模型进行动力学与静力学仿真。仿真结果表明,仿生机械足可以很好地模拟骆驼足的功能并保证结构安全可靠。     

仿胸鳍推进系统的水动力实验研究

为了研究仿生力学在非定常流动中的应用,针对刚性胸鳍建立了二自由度运动模型,设计了实现二自由度运动模式的仿胸鳍操纵系统的实验装置.胸鳍推进系统主体由两个伺服电机控制系统组成,能够产生限定范围内的各种预定的摇翼运动和前后拍翼运动的组合.研究耦合运动的相位差、摆动频率、滚转幅值、拍动幅值、滚转偏角、拍翼偏角等参数对胸鳍水动力性能的影响,得到各水动力系数在一个周期内随时间的变化趋势.实验结果为研发高机动仿生水下机器人奠定了技术基础.     

3SPS-1S并联机构的仿人机械臂系统设计

针对传统仿人机械手臂体积庞大、刚度低等问题,设计了一个实现三自由度球面运动的3SPS-1S并联机构,并对该并联机构进行了建模和运动学分析,搭建了基于串并联构型的仿人机械臂平台。同时,提出了一种电机液压复合传动系统,减小传动装置体积,提高传动性能。设计了一套基于混合PID控制算法的直流伺服控制系统,提高了系统的响应速度和控制精度。通过实验,验证了仿人机械手臂系统具有良好的活动度,灵活性均符合人上肢的运动。     

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.     

被动式摆动水翼潮流能量获取技术实验研究

针对传统的旋转叶片式水轮机在潮流能量获取过程中存在的问题,提出一种模仿水中生物尾部摆动的被动式摆动水翼潮流能量获取技术。在分析水翼的运动规律和功率系数、效率、折算频率等各参数之间关系的基础上,设计了被动式摆动水翼潮流能量获取实验装置;在三套正反向曲柄摇杆机构的作用下,被动式摆动水翼实现了两自由度周期循环,利用飞轮克服曲柄摇杆机构运动中存在的死点问题,利用扭矩传感器实现了输出轴的转速信号和转矩信号提取;循环水槽环境下完成了被动式摆动水翼能量获取实验,实验结果表明利用被动式摆动水翼能够进行潮流能量获取,当折算频率为0.096时,最高能量获取效率达到18%。     

基于新月鱼尾推进理论的多连杆鱼骨仿生设计

基于新月鱼尾推进相关理论,设计了一种新型的符合身体/尾鳍推进模式的仿生多连杆鱼骨。通过对新月鱼尾推进相关理论的分析,确定了影响鱼体推进的主要设计参数,即躯椎摆角、尾椎摆角及尾鳍摆角。以金枪鱼中体型较小的鲣鱼作为仿生原型,通过逆向工程技术,对其体厚方向轮廓进行曲线拟合并得到其拟合函数。将拟合函数作为鱼骨结构设计边界条件,结合设计参数,通过逆运动学原理设计了躯椎、尾椎、尾鳍、躯椎驱动、尾椎驱动、尾鳍驱动6部分连杆系统。利用仿真软件ADAMS对该机构可行性进行仿真试验,并进行了实物样机试验。试验结果表明:该多连杆鱼骨结构可以实现仿生鱼推进。     

半转叶轮仿生推进器模型的实验方案设计

半转叶轮仿生推进器是基于半转机构实现韦斯-福(Weis-Fogh)效应仿生原理的新型船舶推进器,其推进原理不同于普通的螺旋桨,为探寻其工作时流体的流动特性及由此获得的推进力和推进效率等,需设计合理的实验方案对推进器模型进行实验研究.     

水翼振荡运动捕获潮流能的机理研究

为了揭示水翼发生振荡运动而捕获潮流能的机理,根据流体力学的基本理论,建立水翼振荡运动的模型.利用商用软件ANSYS Fluent对水翼的运动过程进行数值模拟,分析水翼运动对周围流场的影响,讨论水翼的运动参量、尺度参数等对水翼的水动力特性和能量捕获性能的影响规律,获得水翼在流体作用下的动力响应特性.结果表明：水翼的捕能总效率随运动参量变化的过程存在拐点,将水翼的运行参数设置在最高效率点对应的参数下,能够减小瞬时升力系数、瞬时阻力系数、瞬时功率系数各系数曲线的振荡突变现象,但该参数设置下的水翼功率输出未必能够达到最大;升沉运动捕获的能量与水翼厚度呈正相关,俯仰运动捕获的能量与水翼厚度呈负相关;水翼几何参数对水翼工作性能的影响程度与流体黏性的影响密切相关.     

振荡翼改进运动模型的能量捕获性能分析

为了提高振荡水翼的水动力性能和能量捕获效率,基于传统简谐运动模型提出改进运动模型,通过引入俯仰运动系数k,推导改进后俯仰运动规律的一般形式,利用Fluent软件建立水翼的二维模型,综合分析半主动振荡模型下不同俯仰运动系数、折算频率和俯仰振幅等运动参数对水翼能量捕获性能的影响。结果表明:与传统简谐运动模型相比,改进运动模型能够使水翼升力系数在较长时间段内维持较大数值,提高水翼的升力系数和捕能效率;在相同的折算频率和俯仰振幅下,减小俯仰运动系数会增大俯仰角转动的角速度,进而增大俯仰运动所消耗的能量;不同俯仰振幅下对应不同的最优折算频率,折算频率越低水翼的捕能性能越不稳定,俯仰振幅越大,转动俯仰角所消耗的能量越多。在给定参数条件下,水翼的能量转化效率可超过40%。     

振荡翼改进运动模型的能量捕获性能分析

为了提高振荡水翼的水动力性能和能量捕获效率,基于传统简谐运动模型提出改进运动模型,通过引入俯仰运动系数k,推导改进后俯仰运动规律的一般形式,利用Fluent软件建立水翼的二维模型,综合分析半主动振荡模型下不同俯仰运动系数、折算频率和俯仰振幅等运动参数对水翼能量捕获性能的影响。结果表明:与传统简谐运动模型相比,改进运动模型能够使水翼升力系数在较长时间段内维持较大数值,提高水翼的升力系数和捕能效率;在相同的折算频率和俯仰振幅下,减小俯仰运动系数会增大俯仰角转动的角速度,进而增大俯仰运动所消耗的能量;不同俯仰振幅下对应不同的最优折算频率,折算频率越低水翼的捕能性能越不稳定,俯仰振幅越大,转动俯仰角所消耗的能量越多。在给定参数条件下,水翼的能量转化效率可超过40%。     

水翼非定常空化流场的数值模拟

采用修正的RNGk-ε湍流模型对8°攻角NACA0015水翼的非定常二维空化流场进行数值模拟,分析当空化数分别为1和1.5,对应雷诺数为3×105时绕翼型的非定常流动,得到不同空化数下的非定常空化流场结构及其演化过程的流动特性.计算结果表明,回射流在空泡的形成和发展过程中起着重要的作用.空泡首先出现于水翼的前缘,在其产生的位置形成一个顺时针的漩涡,漩涡沿水翼上表面向下游移动.空泡逐渐长大并脱落,在不同空化数下,空泡脱落的位置不同.空泡形成和发展过程中均伴有压力的波动,大空化数流场的压力波动幅度和频率都明显高于小空化数流场.     

Computational Analyses of Cavitating Flows in Cryogenic Liquid Hydrogen

The objective of this study is to analyze the fundamental characteristics and the thermodynamic effects of cavitating flows in liquid hydrogen. For this purpose, numerical simulation of cavitating flows are conducted over a three dimensional hydrofoil in liquid hydrogen. Firstly, the efficiency of this computational methodology is validated through comparing the simulation results with the experimental measurements of pressure and temperature. Secondly, after analysing the cavitating flows in liquid hydrogen and water, the characteristics under cryogenic conditions are highlighted. The results show that the thermodynamic effects play a significant role in the cavity structure and the mass transfer, the dimensionless mass transfer rate of liquid hydrogen is much larger, and the peak value is about ninety times as high as water at room temperature. Furthermore, a parametric study of cavitating flows on hydrofoil is conducted by considering different cavitation number and dimensionless thermodynamic coefficient. The obtained results provide an insight into the thermodynamic effect on the cavitating flows.     

水力机械叶片尾流机理研究

建立了基于弱可压缩流体基础之上的非恒定、粘性流数学模型,采用大涡模拟计算方法,固壁边界条件采用＂部分滑移条件＂,成功地对水力机械叶片尾流现象进行了模拟计算.计算结果表明,水力机械在非设计工况下,叶片绕流流态十分复杂,在负压面存在回流、脱流旋涡,以及叶片尾流.叶片正压面流速与叶片负压面流速差较大,加上负压面上的脱流旋涡,是形成叶片尾流的原因.尾流内存在周期性很好的类似卡门涡列的流动现象,其频率与叶片绕流状况有关,随着叶片入流角增加而增大,且属于低频范畴,因此,不能简单地采用圆柱绕流卡门涡街的频率公式进行计算.     

尾缘襟翼振荡水翼的水动力特性

为了提高振荡水翼的能量提取效率,提出一种带尾缘襟翼的振荡水翼结构,在传统水翼的后端加装尾缘襟翼,利用尾缘襟翼的摆动达到提高功率的目的。建立襟翼摆动的运动方程并对等效攻角方程进行推导。利用CFD软件中的动态和移动网格技术对模型进行数值模拟。仿真结果显示,尾缘襟翼结构增加水翼翼型的拱度,使水翼的攻角增加,进而增加振荡水翼的升力系数和时均功率系数。推导的等效攻角公式与模拟结果一致,等效攻角公式能够较好的预示模拟结果。尾缘襟翼的摆动负功在整个振荡水翼采集功率中占的比例很小。     

尾缘襟翼振荡水翼的水动力特性

为了提高振荡水翼的能量提取效率,提出一种带尾缘襟翼的振荡水翼结构,在传统水翼的后端加装尾缘襟翼,利用尾缘襟翼的摆动达到提高功率的目的。建立襟翼摆动的运动方程并对等效攻角方程进行推导。利用CFD软件中的动态和移动网格技术对模型进行数值模拟。仿真结果显示,尾缘襟翼结构增加水翼翼型的拱度,使水翼的攻角增加,进而增加振荡水翼的升力系数和时均功率系数。推导的等效攻角公式与模拟结果一致,等效攻角公式能够较好的预示模拟结果。尾缘襟翼的摆动负功在整个振荡水翼采集功率中占的比例很小。     

Numerical simulation of unsteady cavitating flows around a transient pitching hydrofoil

The objective of this paper is to improve the understanding of the influence of multiphase flow on the turbulent closure model,the interplay between vorticity fields and cavity dynamics around a pitching hydrofoil.The effects of pitching rate on the subcavitating and cavitating response of the pitching hydrofoil are also investigated.In particular,we focus on the interactions between cavity inception,growth,and shedding and the vortex flow structures,and their impacts on the hydrofoil performance.The calculations are 2-D and performed by solving the incompressible,multiphase Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes(URANS)equations via the commercial CFD code CFX.The k-SST(Shear Stress Transport)turbulence model is used along with the transport equation-based cavitation models.The density correction function is considered to reduce the eddy viscosity according to the computed local fluid mixture density.The calculation results are validated with experiments conducted by Ducoin et al.(see Computational and experimental investigation of flow over a transient pitching hydrofoil,Eur J Mech/B Fluids,2009,28:728–743 and An experimental analysis of fluid structure interaction of a flexible hydrofoil in various flow regimes including cavitating flow,Eur J Mech B/fluids,2012,36:63–74).Results are shown for a NACA66 hydrofoil subject to slow(quasi static,6°/s,*0.18)and fast(dynamic,63°/s,*1.89)pitching motions from=0°to=15°.Both subcavitaing(=8.0)and cavitating(=3.0)flows are considered.For subcavitating flow(=8.0),low frequency fluctuations have been observed when the leading edge vortex shedding occurs during stall,and delay of stall is observed with increasing pitching velocity.For cavitating flow(=3.0),small leading edge cavities are observed with the slow pitching case,which significantly modified the vortex dynamics at high angles of attack,leading to high frequency fluctuations of the hydrodynamic coefficients and different stall behaviors compared to the subcavitating flow at the same pitching rate.On the other hand,for the fast pitching case at=3.0,large-scale sheet/cloud cavitation is observed,the cavity behavior is unsteady and has a strong impact on the hydrodynamic response,which leads to high amplitude fluctuations of the hydrodynamic coefficients,as well as significant changes in the stall and post-stall behavior.The numerical results also show that the local density modification helps to reduce turbulent eddy viscosity in the cavitating region,which significantly modifies the cavity lengths and shedding frequencies,particularly for the fast pitching case.In general,compared with the experimental visualizations,the numerical results with local density correction have been found to agree well with experimental measurements and observations for both slow and fast transient pitching cases.     

应用Realizable k-ε湍流模型的振荡水翼绕流数值模拟研究

采用计算流体力学软件Fluent提供的Realizable k-ε湍流模型计算了振荡水翼的绕流问题,利用有限体积法求解雷诺平均N-S方程,空间离散应用二阶迎风格式,速度—压力耦合格式为SIMPLEC格式;为了验证该数值格式及湍流模型,计算了文献中的算例并做了对比;考察了不同参数对振荡水翼周围流场及受力特征的影响,研究表明在一定水翼攻角条件下,水翼振幅及振荡频率均对振荡水翼的涡结构产生发展及其受力特征具有明显的影响.