仿生鱿鱼流体形态建模与数值模拟

随着人工智能与科技手段的逐步发展与提升,鱼类形态特征的研究与鱼类游动减阻机制对于仿生机器鱼设计与复杂游动行为至关重要。本文以茎柔鱼为研究对象,通过对茎柔鱼样本进行视觉图像采集,利用计算机视觉技术提取生物样本形态特征,根据生物特征长度建立生物形态外轮廓方程与三维简化模型,采用数值模拟与四面体非结构网格的方法,计算分析仿生鱿鱼在高速游动过程中的流场特性。分析表明：基于轮廓方程的仿生鱿鱼简化模型在高速游动时具有较低的游行阻力,速度达13.89m/s且俯仰角度在±30°内,其阻力系数在0.0004~0.0011之间,揭示了生物游动时其形态在减阻机制中的重要性;鱿鱼在高速游动时该种姿态为其完成俯仰、转向等奠定了流体形态基础。因此基于生物形态的外轮廓特征与计算流体力学方法为仿生鱿鱼进一步的设计与研究提供了参考依据。     

仿生鱿鱼肉鳍扑动推进机理数值研究

在仿生机器鱿鱼的设计制作中,通过肉鳍摆动辅助腕的收缩以及喷水推进的组合,使得鱿鱼可以以多种运动形式进行游泳。为研究鱿鱼肉鳍的扑动推进机理,采用计算流体力学(CFD)方法对生物鱿鱼外形进行等比例数值建模,计算分析鱿鱼肉鳍在不同扑动角度下的水动力特性。在此基础上,通过改变肉鳍占体比例、肉鳍形状等参数,研究不同参数对鱿鱼肉鳍扑动推进性能的影响。结果显示:鱿鱼肉鳍扑动过程中肉鳍上下表面出现明显涡流区与压力差,鱿鱼在该压力差的作用下完成升沉运动与水平运动;当鱿鱼肉鳍占体比例超过0.3时,升沉力与水平推进力均随肉鳍占体比例的增加呈明显上升趋势,而阻力变化趋于稳定,适当增加肉鳍的占体比例可获得更高的扑动推进效率;横菱形肉鳍具有较高的推进效率与较低的游动阻力,在仿生鱿鱼设计中是一种较为理想的选择。研究结果为仿生机器鱿鱼的设计制作提供了计算方法和理论参考。     

年平均风场作用下大亚湾水交换的数值模拟

对大亚湾2006年和2007年的风场资料进行分析,数值模拟年平均风场作用下大亚湾的余流场,采用保守物质输运扩散法研究大亚湾的水交换能力.把大亚湾分成7个子区域,计算整个海湾和各子区域的水体更新时间,比较了各子区域水交换能力的强弱.大亚湾水交换能力总体为:南部优于北部,东部优于西部;年平均风场大大加速了大亚湾的水交换速率,全湾平均水体更新时间由仅考虑潮流作用时的82.5 d降低为26.0 d;风场作用下的表、底层环流差异较大,表层水交换能力略高于底层.     

梯形振荡水翼水动力学特性的三维数值模拟研究

振荡水翼式潮流能采集系统一般通过二维水翼水动力学模型建立其关于俯仰与升沉方向两自由度的运动方程。但水翼三维模型与二维模型在诱导阻力计算上有着一定的差别,而诱导阻力又直接影响到系统的能量转化效率,因此有必要对振荡水翼三维的水动力学特性进行研究。本文根据叶素理论,以梯形翼作为三维水翼模型的代表,建立了梯形振荡翼的水动力学模型和运动方程。对该模型采用三维非结构网格和动网格技术进行数值模拟,着重探讨梯形比对其运动状态和能量转化效率的影响。结果表明:采用动网格模拟三维梯形振荡水翼的水动力学特性,得到的水翼运动状态与二维的相同;振荡水翼的诱导阻力会改变其稳定振荡频率和升沉运动幅值,直接影响了系统的能量采集效率;随着梯形比的降低,系统的能量转化效率先上升后降低,在梯形比为0.5时最大。本文的研究成果将有助于完善振荡水翼的结构设计方法。     

冻土水热运动的数值模拟

本文在建立冻土水热耦合迁移的数学模型基础上，采用全隐式有限差分格式并用线性化迭代方法求解。边界条件处理采用半控制容积法、时间步长根据迭代情况自动调节，求解过程中为防止振荡过大采用松驰迭代等措施。通过计算与实验结果对比，取得较好效果，表明采用的数学模型及数值计算方法可靠。     

水沸腾相变过程的数值模拟

为了解沸腾换热的机理,掌握相变换热的数值模拟方法,本文分别对大容器沸腾和竖直通道内的强制对流沸腾进行了数值模拟。通过定义汽液两相的质量传递和能量传递,计算得到了速度场、压力场、温度场和蒸汽体积比例分数等参数的分布情况。结合沸腾换热理论和模拟结果,分析了两种不同情况下水的沸腾换热过程。     

坐水播种土壤水分入渗的数值模拟

以土壤水动力学为理论基础，对坐水播种土壤水分入渗物理过程进行分析，建立其水分入渗的数学模型，并用有限元方法求解。通过室内入渗试验，检验数学模型的适用性。应用该数值模型，分析了土壤初始含水率、种沟宽度、回土量等因素对水分入渗的影响，并对回土量的选择进行了讨论。     

水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟

为研究养殖用金属网衣多孔小直径网状结构的水动力响应特性,采用计算流体动力学原理,基于Navier-Stokes方程及大涡模拟(LES)湍流模型,并运用ABAQUS/CFD模块中的Gauss-Seidel耦合方法进行了水流作用下网衣的流固耦合计算,在试验验证的基础上,得到了不同目脚尺寸和网线直径组合条件下锌铝合金网衣的平面受力计算结果。结果表明:当网衣目脚尺寸由25 mm增加到35、45 mm时,3种网线直径对应的网衣受到的水阻力值平均减小幅度分别为29.15%和43.79%;当网线直径由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,3种目脚尺寸对应的网衣受到的水阻力值平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。本研究结果可为进一步探究金属网箱在波流作用下的整体受力变形提供理论参考。     

水流作用下平面金属网衣水阻力特性数值模拟

为研究养殖用金属网衣多孔小直径网状结构的水动力响应特性,采用计算流体动力学原理,基于Navier-Stokes方程及大涡模拟(LES)湍流模型,并运用ABAQUS/CFD模块中的Gauss-Seidel耦合方法进行了水流作用下网衣的流固耦合计算,在试验验证的基础上,得到了不同目脚尺寸和网线直径组合条件下锌铝合金网衣的平面受力计算结果。结果表明:当网衣目脚尺寸由25 mm增加到35、45 mm时,3种网线直径对应的网衣受到的水阻力值平均减小幅度分别为29.15%和43.79%;当网线直径由2.5 mm增加到3.2、4.0 mm时,3种目脚尺寸对应的网衣受到的水阻力值平均增加幅度分别为27.01%和55.84%。本研究结果可为进一步探究金属网箱在波流作用下的整体受力变形提供理论参考。     

冻土水热运动的数值模拟

本文在建立冻土水热耦合迁移的数学模型基础上,采用全隐式有限差分格式并用线性化迭代方法求解。边界条件处理采用半控制容积法,时间步长根据迭代情况自动调节,求解过程中为防止振荡过大采用松驰迭代等措施。通过计算与实验结果对比,取得较好效果,表明采用的数学模型及数值计算方法可靠。用此模型模拟了非实验状态下（历时３０ｄ及表面温度降至－２０°Ｃ）的土壤冻结过程。模拟显示温度分布随冻结历时的加长而变缓,最后趋于线性分布,随上、下表面温差的加大而变陡;水分分布基本形状并不随时间及上、下表面温差而变,只是冻深及上迁水量随历时加长、温差加大而增大。     

植物“柔性坝”过流水动力学方程的建立及其数值模拟

植物"柔性坝"的存在干扰了原有的水流流态,使坝上游水深增加,水流流速减小,同时还增大河床糙率,削减了床面剪应力。通过室内物理模型试验的初期成果,推导建立清水条件下植物二维水动力学方程,对植物"柔性坝"过流时的水动力学特性进行了数值研究,并用有限元法进行了数值计算。将数值计算得到的流速值与模型试验流速值结果进行了比对,两者吻合较好,证明了所选数学模型和数值计算方法的可靠性。     

异型岔管水力特性的数值模拟

【目的】探求异型岔管的水力特性,研究岔管处局部水头损失及流速和压强的分布情况,并检验数值模拟方法的可靠性。【方法】采用物理模型试验和数值模拟相互验证的方法,依据实际情况对积石峡电站灌溉引水系统重力输水管网岔管在6种不同的供水工况(正常水位和死水位1#支管单独供水、2#支管单独供水及1#、2#支管联合供水)下的流速、压强分布及局部水头损失进行了研究。【结果】在6种不同工况下,局部水头损失系数的数值模拟值均小于试验值,相对误差最大为14.452 5%,且各工况下得到的岔管处局部水头损失、局部水头损失系数值并不相同;数值模拟结果直观地反映了岔管处流态分布和压强的变化情况。【结论】岔管处的水力特性复杂、影响因素较多,即使同一工程的同一岔管在不同的运行工况下各参数的选取也具有灵活性,因此对于具体问题要进行具体分析。     

气固两相流管道流动阻力特性数值模拟

为掌握气固两相流的流动阻力特性,利用计算流体动力学软件CFX,对直管段及水平弯管进行气固两相流数值模拟。采用欧拉一拉格朗日法选择数值模拟计算模型,根据模拟对象工况,确定软件模拟条件。通过模拟,对管道系统的特性、操作条件、物料和气体的性质等影响气固两相管流压力损失的主要因素进行了探讨,对连续相速度和压力分布特性以及颗粒运动轨迹进行了分析,得到了气固两相管流的压力场、速度场分布,颗粒在管内的分布情况和运动轨迹,以及不同工况条件下的系统阻力和颗粒沉积量分布规律,并确定了在特定条件下能耗最小的经济流速。研究成果可为气固两相流的工程设计和理论研究提供参考。（图18,表2,参10）。     

中国远洋鱿钓渔业的发展与前景

介绍了中国远洋鱿钓渔业发展的３个阶段。从生产规模、生产效率、作业渔场３个方面介绍了中国远洋鱿钓渔业发展状况,对中国产鱿钓渔业目前的生产和发展提出一些建议,并对中国远洋鱿钓渔业的前景进行了展望。     

光诱渔业中光强分布的理论研究及其应用

集鱼灯合理配置是光诱渔业中重要的研究课题之一,需要从理论和实践两个方面加以分析和研究,以探讨灯光配置包括种类、布局等是否合理。根据光学理论和集鱼灯的发光特点,使用面光源积分计算方法建立了集鱼灯光强计算的公式,该方法比以往的线光源以及点光源计算方法更为精确。通过理论数据和实测数据相比较,检验了方法的正确性,并且分析了产生理论数据和实测数据一定误差的原因。以此为依据,通过M athem atica4软件计算了8154鱿钓船在海面上的光强分布,研究了8154鱿钓船合适间距的问题,认为在适宜照度0.005 lx下的合适作业间距为0.64 nm.。     

天然气长输管道泄漏工况数值模拟

针对无风和有风情况下埋地天然气管道的管状扩散和渗透扩散泄漏过程建立了物理数学模型,使用Gambit软件对模型进行网格划分,运用计算流体软件Fluent进行数值模拟,研究了两种泄漏过程在不同时刻的扩散区域和安全避让区域,以及土壤渗透率对天然气泄漏扩散区域和浓度分布的影响。结果表明：天然气泄漏在有风情况下对地面扩散的影响更大,当风速增大到一定程度时,仅在泄漏口上风向存在安全区域;泄漏天然气穿过土壤层后剩余速度的大小决定了扩散高度、范围和气流形态,相对低渗透土壤,穿过高渗透率土壤层的天然气在空气中形成的扩散区域更大,扩散高度更高,但后期两者扩散范围基本相同。（图8,参10）     

光诱渔业中光强分布的理论研究及其应用

集鱼灯合理配置是光诱渔业中重要的研究课题之一,需要从理论和实践两个方面加以分析和研究,以探讨灯光配置包括种类、布局等是否合理。根据光学理论和集鱼灯的发光特点,使用面光源积分计算方法建立了集鱼灯光强计算的公式,该方法比以往的线光源以及点光源计算方法更为精确。通过理论数据和实测数据相比较,检验了方法的正确性,并且分析了产生理论数据和实测数据一定误差的原因。以此为依据,通过M athem atica4软件计算了8154鱿钓船在海面上的光强分布,研究了8154鱿钓船合适间距的问题,认为在适宜照度0.005 lx下的合适作业间距为0.64 nm.。     

混凝土劈裂实验及裂纹开展过程的数值模拟

通过混凝土劈裂实验和氯离子渗透实验,得到了微裂隙对氯离子渗透性能影响的相关结论。为验证和解释实验现象,采用有限元数值模拟方法模拟混凝土劈裂及裂纹扩展的全过程,探讨裂纹扩展趋势及其分布规律。数值模拟再现了微裂纹萌生、扩展、贯通直至失稳的全过程,其破坏位置、形式均与实验结果一致,验证了数值模拟的可行性;同时,通过对横向位移、微裂纹扩展以及等效应力分布变化过程的模拟分析,验证并解释了试验中的相关结论。可见,数值模拟方法对混凝土耐久性研究具有一定的指导价值。