仿生自主推进柔性板集群运动的流固耦合数值研究
发布时间：2022-10-19 10:29
游动和飞行的集群运动蕴含了复杂的流体力学机制。人们一直关注两个关键科学问题:一是个体之间的流动耦合作用对集群运动的涌现（emergence）有何影响;另一是个体能否从集群运动中获得能量收益。本文采用浸没边界（IB）-格子玻尔兹曼（LB）-非线性有限元（FE）相结合的方法,数值研究了包含两个或多个拍动柔性板的流固耦合系统自主运动问题。研究结果可以帮助人们从流体力学视角理解生物集群运动的基本原理。本文的主要研究内容和结论如下:（1）研究了两个自主推进拍动板的流-固耦合系统的运动问题。主要考察了初始放置距离、拍动相位差、弯曲刚度等参数对系统运动模态、推进特性的影响。研究发现仅通过以流动为媒介的稱合作用（flow-mediated interactrion）,系统便能够自发地形成稳定且有序的运动模态,分别包括同相拍动时的Staggered-Following（SF）和 Alt,ernat,e-Leading（AL）模态、反相拍动时的 Moving Abreast（MA）和AL模态。同时,自主推进物体能从特定的排列方式中获得推进特性（速度和效率）的提升:在同相拍动时,交错的队形能够提升系统整体的...
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 生物飞行与游动问题简介
1.2 生物飞行与游动问题研究方法和现状
1.2.1 实验研究
1.2.2 理论研究
1.2.3 数值研究
1.3 生物飞行与游动中的集群运动
1.3.1 生物集群运动的实验研究
1.3.2 生物集群运动的模型研究
1.3.3 生物集群运动的水(空气)动力学
1.4 本文的主要工作
第二章 流固耦合数值方法
2.1 引言
2.2 流体动力学方程和数值方法
2.2.1 流体动力学方程
2.2.2 格子玻尔兹曼方法
2.3 结构运动方程及数值方法
2.3.1 弹性梁运动方程
2.3.2 结构运动方程的数值方法
2.4 流固耦合的边界条件及浸入边界法
2.5 数值方法的验证
2.6 本章小结
第三章 两个自主推进拍动板的流固耦合研究
3.1 引言
3.2 物理问题和数学描述
3.3 数值方法与验证
3.4 计算结果和讨论
3.4.1 运动模态
3.4.2 推进特性:SF模态与AL模态的比较
3.4.3 推进特性:SF模态与串联结构的比较
3.4.4 力与功
3.4.5 流动结构与非定常特性
3.4.6 反相拍动的情况
3.4.7 数值结果与实验观测的比较
3.5 本章小结
第四章 两个不同大小拍动柔性板的自主推进研究
4.1 引言
4.2 物理问题和数学描述
4.3 计算描述和程序验证
4.4 计算结果和讨论
4.4.1 运动模态
4.4.2 运动稳定性
4.4.3 推进特性
4.5 本章小结
第五章 多个串列自主推进拍动板集群式运动的数值研究
5.1 引言
5.2 物理问题和数学描述
5.3 计算描述和程序验证
5.4 计算结果和讨论
5.4.1 运动状态
5.4.2 运动稳定性
5.4.3 推进特性
5.5 本章小结
第六章 工作总结和研究展望
6.1 工作总结
6.2 主要创新点
6.3 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Propulsive performance of two-and three-dimensional flapping flexible plates[J]. Chao Tang,Xiyun Lu. Theoretical ＆ Applied Mechanics Letters. 2015(01)
[2]昆虫飞行的空气动力学[J]. 孙茂. 力学进展. 2015(00)
[3]Prediction of fish body’s passive visco-elastic properties and related muscle mechanical performance in vivo during steady swimming[J]. ZHANG Wei,YU YongLiang,TONG BingGang. Science China（Physics,Mechanics ＆ Astronomy）. 2014(02)
[4]Onset of instability of a flag in uniform flow[J]. Fangbao Tian,1,2,a) Xiyun Lu,1 and Haoxiang Luo 2 1) Department of Modern Mechanics,University of Science and Technology of China,Hefei,Anhui 230026,China 2) Department of Mechanical Engineering,Vanderbilt University,2301 Vanderbilt Place,Nashville,Tennessee 37235-1592,USA. Theoretical ＆ Applied Mechanics Letters. 2012(02)
[5]Computational aerodynamics of low Reynolds number plunging,pitching and flexible wings for MAV applications[J]. W.Shyy,Y.Lian,J.Tang,H.Liu,P.Trizila,B.Stanford,L.Bernal,C.Cesnik,P.Friedmann,P.Ifju. Acta Mechanica Sinica. 2008(04)
[6]Experimental study on the microstructure and nanomechanicai properties of the wing membrane of dragonfly[J]. Kewei Xiao Ke Bai Wensheng Wang Fan Song State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics (LNM),Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China Department of Chemical Biology,School of Pharmaceutical Sciences,Peking University Health Science Center,Beijing 100083,China Department of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China. Acta Mechanica Sinica. 2007(03)
[7]关于飞行和游动的生物力学研究[J]. 童秉纲,陆夕云. 力学进展. 2004(01)
[8]流固耦合力学概述[J]. 邢景棠,周盛,崔尔杰. 力学进展. 1997(01)
本文编号：3693195
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 生物飞行与游动问题简介
1.2 生物飞行与游动问题研究方法和现状
1.2.1 实验研究
1.2.2 理论研究
1.2.3 数值研究
1.3 生物飞行与游动中的集群运动
1.3.1 生物集群运动的实验研究
1.3.2 生物集群运动的模型研究
1.3.3 生物集群运动的水(空气)动力学
1.4 本文的主要工作
第二章 流固耦合数值方法
2.1 引言
2.2 流体动力学方程和数值方法
2.2.1 流体动力学方程
2.2.2 格子玻尔兹曼方法
2.3 结构运动方程及数值方法
2.3.1 弹性梁运动方程
2.3.2 结构运动方程的数值方法
2.4 流固耦合的边界条件及浸入边界法
2.5 数值方法的验证
2.6 本章小结
第三章 两个自主推进拍动板的流固耦合研究
3.1 引言
3.2 物理问题和数学描述
3.3 数值方法与验证
3.4 计算结果和讨论
3.4.1 运动模态
3.4.2 推进特性:SF模态与AL模态的比较
3.4.3 推进特性:SF模态与串联结构的比较
3.4.4 力与功
3.4.5 流动结构与非定常特性
3.4.6 反相拍动的情况
3.4.7 数值结果与实验观测的比较
3.5 本章小结
第四章 两个不同大小拍动柔性板的自主推进研究
4.1 引言
4.2 物理问题和数学描述
4.3 计算描述和程序验证
4.4 计算结果和讨论
4.4.1 运动模态
4.4.2 运动稳定性
4.4.3 推进特性
4.5 本章小结
第五章 多个串列自主推进拍动板集群式运动的数值研究
5.1 引言
5.2 物理问题和数学描述
5.3 计算描述和程序验证
5.4 计算结果和讨论
5.4.1 运动状态
5.4.2 运动稳定性
5.4.3 推进特性
5.5 本章小结
第六章 工作总结和研究展望
6.1 工作总结
6.2 主要创新点
6.3 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间的研究成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Propulsive performance of two-and three-dimensional flapping flexible plates[J]. Chao Tang,Xiyun Lu. Theoretical ＆ Applied Mechanics Letters. 2015(01)
[2]昆虫飞行的空气动力学[J]. 孙茂. 力学进展. 2015(00)
[3]Prediction of fish body’s passive visco-elastic properties and related muscle mechanical performance in vivo during steady swimming[J]. ZHANG Wei,YU YongLiang,TONG BingGang. Science China（Physics,Mechanics ＆ Astronomy）. 2014(02)
[4]Onset of instability of a flag in uniform flow[J]. Fangbao Tian,1,2,a) Xiyun Lu,1 and Haoxiang Luo 2 1) Department of Modern Mechanics,University of Science and Technology of China,Hefei,Anhui 230026,China 2) Department of Mechanical Engineering,Vanderbilt University,2301 Vanderbilt Place,Nashville,Tennessee 37235-1592,USA. Theoretical ＆ Applied Mechanics Letters. 2012(02)
[5]Computational aerodynamics of low Reynolds number plunging,pitching and flexible wings for MAV applications[J]. W.Shyy,Y.Lian,J.Tang,H.Liu,P.Trizila,B.Stanford,L.Bernal,C.Cesnik,P.Friedmann,P.Ifju. Acta Mechanica Sinica. 2008(04)
[6]Experimental study on the microstructure and nanomechanicai properties of the wing membrane of dragonfly[J]. Kewei Xiao Ke Bai Wensheng Wang Fan Song State Key Laboratory of Nonlinear Mechanics (LNM),Institute of Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100080,China Department of Chemical Biology,School of Pharmaceutical Sciences,Peking University Health Science Center,Beijing 100083,China Department of Mechanical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China. Acta Mechanica Sinica. 2007(03)
[7]关于飞行和游动的生物力学研究[J]. 童秉纲,陆夕云. 力学进展. 2004(01)
[8]流固耦合力学概述[J]. 邢景棠,周盛,崔尔杰. 力学进展. 1997(01)
本文编号：3693195
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/lxlw/3693195.html
