超磁仿生鱼快速起动的控制和设计

本文首先对自然界鱼类的基本构造和工作原理进行仿生.以合金薄板,贴在该薄板的超磁致伸缩材料和外磁场分别模拟鱼尾骨架,鱼体肌肉和控制鱼体摆动的神经.建立起一个力学模型和一种计算方法.通过数值分析,揭示了仿生机器鱼起动过程中最佳模式是从低阶模态到高阶模态的迅速过渡.这样可以通过控制外磁场(强度和频率),从而实现控制仿生机器鱼从静止快速起动目的.研究成果为仿生机器鱼的设计提供依据和技术.     

绕流柱形对层板流阻特性影响的数值模拟研究

利用有限体积法对三维可压缩的N—S方程进行离散，对内部绕流柱形分别为圆形、方形和菱形的多孔层板冷却结构进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格，湍流模型为Realizableκ-ε双方程模型，近壁处湍流采用壁面函数法处理，采用SIMPLE算法求解速度与压力的耦合。计算获得了3种冷却结构内部各气流参数的三维分布和流动阻力特性。结果表明层板内部的流场结构十分复杂，射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡。3种绕流结构中方形结构流动阻力最小，菱形最大。将计算结果与实验结果进行了比较，两符合良好。     

绕流中颗粒与柱体碰撞和磨损的直接数值模拟

为了研究圆柱近壁区颗粒与柱体的碰撞和磨损问题，采用高精度有限差分的方法对圆柱绕流进行了直接数值模拟.在获得高精度计算流场信息的基础上，采用Lagrangian方法追踪了颗粒在圆柱近壁区的运动.利用非弹性碰撞模型的壁面磨损量经验公式，进行了壁面磨损量的计算，详尽考察了不同粒径的颗粒与壁面的碰撞磨损情况.研究发现，随着颗粒粒径的增大，颗粒与壁面的碰撞频率变高；局部碰撞频率的曲线较为特殊，粒径较大颗粒的碰撞多发生在与来流方向平行的中心轴线处，而小粒径颗粒的碰撞则要外移一定的位置.还发现颗粒对壁面的磨损率也是随粒径的增大而增大.颗粒的冲击角对壁面的磨损同样起着至关重要的影响，对于塑性材料，冲击角为20°～30°时，壁面的磨损率最大.     

不同湍流模型在水翼前缘空化流场数值计算中的应用研究

叶片前缘空化是水力机械最常见的空化类型之一,可导致水力机械效率和运行稳定性大大降低.为了精准预测前缘空化条件下的流场特性,文中以NACA0009水翼为对象,探讨了Reynolds-averaged Navier-Stokes equation(RANS)、Detached eddy simulation(DES)和Large eddy simulation(LES)三种湍流模型在空化流场计算中的应用.讨论了湍流模型对空化形态、近壁区速度分布的影响,结果表明:RANS湍流计算方法无法得到空泡形态的动态变化,DES湍流计算方法得到的空泡形态在一个流动周期内变化较小,且尾部存在空泡脱落现象,而LES湍流计算方法得到空泡瞬态特性增强,空化形态和位置随时间变化较大;在远离壁面的区域,RANS、DES和LES三种湍流模型预测速度均与实验值较为吻合,在近壁区LES方法吻合结果最好.     

直角网格壁函数的二维高雷诺数机翼绕流计算

针对传统直角网格方法无法准确计算高雷诺数下近壁面区域的流场及剪切应力问题，本文基于自主开发的二维直角网格CFD求解器，采用添加壁面函数的方式模拟了高雷诺数下的机翼绕流。数值模型基于直角网格有限差分方法对N-S方程进行离散，整体求解器的精度在空间和时间上分别达到二阶。通过对低雷诺数下圆柱绕流及机翼绕流的模拟计算，验证了此求解器的精度和可靠性。在高雷诺数下利用壁面函数修正近壁面的速度剖面，使近壁面区域的速度分布更符合实际流动。研究结果表明：本文方法能够有效求解二维高雷诺数机翼绕流问题。同时利用商业计算流体力学软件Star-CCM+采用贴体网格对同样问题进行模拟，数值模拟结果表明本文方法的网格需求要大于贴体网格。     

一种双关节机器鱼的设计与实现

针对水产养殖和水环境保护领域对移动式水质监测的需求,本文设计了一种双关节仿生机器鱼。通过分析机器鱼的游动和转向规律,建立了双关节机器鱼的动力学模型,提出了基于模糊控制的复合避障算法、并通过仿真验证了其可行性。选择双关节尾鳍推进方式,完成了机器鱼的机械结构设计;以STM32单片机为控制核心、舵机作为运动执行元件、5个红外测距传感器合理布局实现避障、Lora无线传输方式实现机器鱼与主机的通信,完成了机器鱼控制系统的设计。最后,搭载水质传感器在实际水域对该机器鱼进行了应用测试,测试结果表明机器鱼可以成功避开障碍物并完成水质参数的采集任务、数据准确性高且具有低扰动性。     

空气雾化硫磺喷枪的数值模拟

将空气雾化和机械雾化相结合,对硫磺喷枪进行改进.在Fluent软件环境下,基于气、液两相流模型进行了计算流体力学数值模拟.进口处以液硫、空气的实际速度为基准,出口处采用压力出口,焚硫炉内壁面选用标准无滑移壁面并假设其绝热,以简化焚硫炉内气液边界条件.以k-epsilon湍流模型为计算模型,采用压力-速度耦合方程求解,并选用压力修正算法.结果表明,在喷枪四周输入一定速度的空气后,喷枪附近形成一个涡流负压区,加速液硫向四周扩算,可增大雾化角及雾化行程,均匀雾滴分布.以某焚硫炉的工程实际参数,液硫速度5 m/s时,对比不同空气流速下的液硫雾化流场,在空气进口速度为4～6 m/s,雾化效果最佳.     

近壁面电火花空泡运动特性的高速摄影研究

利用高速摄技术对电火花诱发的空化泡在发展过程中受壁面影响下的运动过程进行了实验观测。研究了空化泡在壁面附近的演变和空化泡受壁面作用下的溅射现象以及反弹现象。结果表明：在泡-壁无量纲距离γ < 3的条件下,空化泡在膨胀阶段并未向刚性壁面发生移动,当空化泡进入收缩阶段后开始向壁面运动;实验还表明随着γ的增大,空化泡向壁面运动的速度减小。通过较高的拍摄频率对近壁面空化泡发展后期运动过程进行了拍摄,实验表明当泡-壁距离γ（γ ≈ 1）较小时,空化泡受壁面影响出现了溅射流与反射流现象     

基于Hopf振荡器的仿生机器魟鱼胸鳍波形控制算法

为了获得与生物魟鱼胸鳍相近的推进波形和游动性能,提出基于Hopf振荡器的仿生中枢模式发生器（CPG）胸鳍波形控制策略. 针对仿生机器魟鱼的结构与游动特征,利用20个Hopf振荡器耦合构建中心式CPG拓扑网络模型;通过输入参数幅值、频率和波数,控制该拓扑网络模型输出仿生机器魟鱼定常巡游、加速游动和机动转弯3种游动模式下胸鳍波形的动态位置信号. 通过仿真验证了该拓扑网络模型能够快速响应输入参数的变化,稳定输出平滑、连续的动态位置信号. 通过试验研究该拓扑网络模型控制仿生机器魟鱼胸鳍波动的可行性以及网络的输入参数对仿生机器魟鱼游动性能的影响. 试验结果表明,该模型能够稳定地输出耦合的波形信号,控制仿生机器魟鱼鳍面形成与生物鱼相似的推进波形,实现各游动模式以及各游动模式间灵活平滑地切换.     

喷射压力恒定条件下柴油喷孔内多相流脉动现象研究

欧拉多相流方法用同一组数值模型同时计算喷孔内、外流场,不需要人为设置喷孔出口流动参数。使用这种方法计算了放大尺寸的喷孔内、外瞬态多相流流场,并与试验结果进行了对比。计算中设定计算入口和计算出口压力不变。计算结果显示,喷孔内空化区长度和空气区长度、空化区下游的涡的位置、喷孔出口壁面附近空气速度矢量方向随时间波动,喷孔出口断面的压力也随时间波动,喷孔内多相流场参数的波动与喷孔出口断面压力波动对应。结果表明,喷孔出口流动边界突变产生的压力波向孔内的传播导致喷孔内流场产生周期性变化。此外,根据计算结果讨论了喷孔出口断面处压力、速度、空气体积分数分布等随时间变化的特点。     

风沙地区铁路路堑挡沙墙设计参数优化与防护效果

为探究风沙地区铁路路堑流场中的湍流-沙颗粒运动特性,针对性地优化设计防护措施的结构参数,对某铁路路堑流场进行了数值模拟分析。基于欧拉-拉格朗日框架建立了LES-DPM三维湍流流场模型,研究路堑在风沙地貌下的风沙流特性及沙颗粒运动规律,并根据其风沙运动特点设计单排挡沙墙和双排挡沙墙两种类型的风沙防护措施,同时通过对不同距离、不同排列方式的流场特征和防沙效果进行对比获取最优的风沙防护措施设计参数。研究结果表明：路堑结构因下凹结构导致堑内出现大量小尺度马蹄涡,钢轨附近多为破碎的低速涡团,湍流结构复杂;钢轨附近风速均小于3.6 m/s,移动沙粒易受逆压梯度影响及紊流作用向路堑内沉降;由于路堑流场的沙埋风险大大增加,对比发现,将高度2 m的挡沙墙布置在迎风侧距路堑20 m可获得最佳的防护效果,大部分颗粒被阻隔在挡沙墙前,越过挡沙墙的颗粒大多沉降在其后回流区内,且粒径均小于0.125 mm;同时发现,当采用前低后高的双排挡沙墙(2 m/3 m)可以进一步增加低速回流区范围并减少运动至路堑内的颗粒数量,提高防护效果。     

Bionic Attitude Transformation Combined with Closed Motion for a Free Floating Space Robot

In order to realize the small error attitude transformation of a free floating space robot,a new method of three degrees of freedom(DOF) attitude transformation was proposed for the space robot using a bionic joint.A general kinematic model of the space robot was established based on the law of linear and angular momentum conservation.A combinational joint model was established combined with bionic joint and closed motion.The attitude transformation of planar,two DOF and three DOF is analyzed and simulated by the model,and it is verified that the feasibility of attitude transformation in three DOF space.Finally,the specific scheme of disturbance elimination in attitude transformation is presented and simulation results are obtained.Therefore,the range of application field of the bionic joint model has been expanded.     

仿生射流表面孔径与射流速度耦合减阻特性数值模拟

针对仿生射流表面流场问题,基于非光滑表面减阻的仿生学理论,对鲨鱼鳃裂部位射流特征进行分析研究,建立具有类似于鲨鱼腮裂部位射流特征的仿生射流表面模型及可拓模型.利用SST k-ω湍流模型对仿生射流表面模型进行数值模拟,在主流场速度为20 m/s时,分析了不同射流孔径与不同射流速度耦合情况对壁面摩擦阻力、压差阻力及减阻率的影响,并对仿生射流表面减阻机理进行分析.研究表明在射流孔为5 mm时与射流速度耦合情况下的平均减阻率最大,为11.566%,同时为仿生射流表面多因素耦合情况下的减阻特性研究奠定基础.     

Bionic Attitude Transformation Combined with Closed Motion for a Free Floating Space Robot

In order to realize the small error attitude transformation of a free floating space robot,a new method of three degrees of freedom(DOF) attitude transformation was proposed for the space robot using a bionic joint.A general kinematic model of the space robot was established based on the law of linear and angular momentum conservation.A combinational joint model was established combined with bionic joint and closed motion.The attitude transformation of planar,two DOF and three DOF is analyzed and simulated by the model,and it is verified that the feasibility of attitude transformation in three DOF space.Finally,the specific scheme of disturbance elimination in attitude transformation is presented and simulation results are obtained.Therefore,the range of application field of the bionic joint model has been expanded.     

圆管层流脉动流动的数值模拟

为研究圆管层流脉动流动特性,建立了二维非稳态轴对称模型,对壁温恒定、入口速度周期性变化的流体进行数值模拟.分析了速度振幅和频率对层流流动的影响,得到了频率和振幅对压力、温度、壁面摩擦系数影响的规律.研究表明:脉动流动时,压力、温度、壁面摩擦系数围绕相同Re下稳态流动时的数值波动;压力与速度之间存在相位差;压力、壁面摩擦系数的波动与速度振幅和频率成正比;温度的波动与速度振幅成正比,与频率呈反比;当流体脉动的频率和振幅足够大时,会在近壁面处出现回流,并且出现回流的时间会随着频率和振幅的增大而增长.     

考虑井壁径向流入的大位移井井筒压降计算

根据大位移进井筒流动特征，应用质量守衡，动量守衡原理建立了考虑井壁流体径向流入的任意倾角的大位移井筒压降计算模型。普通水平管内单相液流压降模型和Dikken的压降模型是所建模型的特例，在井筒为单相层流、紊流的情况下，对考虑了井壁流体流入的摩擦系数进行了分析讨论，对不同井长和井产量用实例分别计算了单相流情况下井筒的压力分布和压降，计算结果表明，在井筒较长，井产量较高时，不能忽略井筒压力降。     

Autonomous Tracking Control for Four-Wheel Independent Steering Robot Based on Improved Pure Pursuit

Autonomous tracking control is one of the fundamental challenges in the field of robotic autonomous navigation, especially for future intelligent robots. In this paper, an improved pure pursuit control method is proposed for the path tracking control problem of a four-wheel independent steering robot. Based on the analysis of the four-wheel independent steering model, the kinematic model and the steering geometry model of the robot are established. Then the path tracking control is realized by considering the correlation between the look-ahead distance and the velocity, as well as the lateral error between the robot and the reference path. The experimental results demonstrate that the improved pure pursuit control method has the advantages of small steady-state error, fast response and strong robustness, which can effectively improve the accuracy of path tracking.     

仿鱼机器人C形起动的动力学分析

为提高螺旋桨式水下机器人的起动性能,以草食性鱼类体干摆动模式的水下推进方式作为高机动仿鱼机器人推进器的设计原型.由鲫鱼C形起动高速摄影图像的运动分析,推导出仿鱼机器人快速起动的体干运动方程.计算横向摆动流体举力、尾涡反作用力、边界层摩擦阻力和纵向附加质量力,建立C形起动的动力学模型.进行仿鱼机器人体干曲线波,以及多步态快速起动的运动学和动力学参数的仿真计算和优化设计,由数值计算和分析得出的结论和鱼类游动规律基本吻合,为研制具有快速起动性能的水下机器人提供理论基础和设计思路.     

Analysis and comparison of three leg models for bionic locust robot based on landing buffering performance

Good landing buffering performance can reduce impact and vibration for the bionic locust jumping robot; thus, a landing buffer is important in evaluating the motion performance of the bionic locust robot. In particular, the legs of the robot are the main structures that realize the buffer; thus, its structure affects buffering performance. Three typical leg structure models are established based on the physiological analysis of the locust leg and research status, namely, bionic leg, multi-constraint leg, and arc legs. Kinematic and force analyses are conducted for these types of legs. Particularly, flexible deformation of leg link is considered in the analysis to describe the movement process accurately. In order to compare the buffering performance of these types of legs quantitatively, the performance indices with maximum buffering distance, the energy absorption capability, and the mechanical property are presented. Based on the performance indices, the structure parameters are analyzed and optimized. The buffering performance of the three leg structures is compared with the comprehensive performance of different structures in each best state. This study offers a quantitative analysis and comparison for different legs of bionic locust jumping robot based on landing buffering performance. Furthermore, a theoretical basis for future research and engineering applications is established.     

轮泵复合式两栖驱动方法

将360°回旋喷管和二维矢量推进特性引入到喷水推进装置, 通过对现有两栖机器人的运动特性、两栖环境适应性的综合分析,将中空的驱动轮与轴流叶片进行复合,设计了一种轮泵复合式的两栖矢量喷水驱动装置. 根据动量定理与流道压力能损耗理论,求解了两栖喷水驱动装置的二维推力与电机转速的预估值. 基于能量守恒和粘滞阻力原理建立了驱动电机转矩的预估模型. 对两栖推进装置进行CFD仿真,得到了推进器内部流道的压力、速度等流动特性. 最后制作了轮泵复合式推进器,测试了推进器的推力性能,得到了特征尺寸为50 mm×100 mm×90 mm的推进器转速为2 800 r/min时推力大小为6.5 N,与仿真结果对比误差小于8%,验证了该构型在水下推进的有效性和二维矢量推力特性.