仿生柔性结构与流体耦合系统的数值方法及运动机理研究
发布时间：2023-04-17 01:11
经略海洋,装备为先。作为海洋装备中的新星,水下机器人于近年来在海洋开发、海洋管理、海洋安全等方面扮演着愈加重要的角色,尤其在海洋环境观测、海底地貌扫描、水下管道检修、事故应急、武器运载、目标侦查等领域广受青睐。以鱼类等海洋生物为仿生原型的水下机器人具有优越的运动灵活性、目标隐蔽性和环境适应性等诸多天然优点,能够有效弥补常规螺旋桨动力推进所带来的机械效率低、噪声高、抗环境扰动能力弱等短板,因此成为研究热点。然而,与自然环境中的仿生原型相比,当前的仿生机器在运动性能等方面依然相形见绌,多数表现得形似而神不似,究其根源,主要在于未能精准、科学地认识和利用仿生原型的运动机理。可见,解决这个矛盾的前提和有效科学路径在于深入揭示海洋生物基于流体动力的运动机理。鱼类游动等海洋生物的运动行为,本质上是柔性结构(躯体、翼、鳍等)与流体耦合系统的动力学行为。为此,本文从揭示仿生柔性结构与流体耦合系统运动机理的源头展开研究,发展了一种适用于模拟柔性结构与粘性流体耦合作用的数值方法,并基于该方法仿真研究了三个由自然界中的生物体-流体耦合运动现象抽象而来的物理模型,包括多柔性板绕流系统、柔性板与弹性圆柱串列绕流...
【文章页数】：173 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 流固耦合数值方法的概述
1.3 国内外研究现状
1.3.1 沉浸边界法
1.3.2 基于GPU的并行计算
1.3.3 仿生鱼类运动机理
1.3.4 柔性板流致运动机理
1.4 有待深入研究的问题
1.5 本文的主要研究内容
第2章 柔性结构与流体耦合系统的数值方法研究
2.1 引言
2.2 流场控制方程
2.3 流体域的数值模型
2.4 结构域的数值模型
2.4.1 主动变形结构的数值模型
2.4.2 二维柔性板的数值模型
2.4.3 三维柔性板的数值模型
2.5 流体-结构边界耦合的数值模型
2.6 算法的并行与实施
2.6.1 并行框架
2.6.2 并行策略
2.7 实验平台的研制
2.7.1 循环式流固耦合水洞的研制
2.7.2 DPIV流场可视化系统的研制
2.7.3 SMA柔性驱动关节的研制
2.8 数值方法的验证
2.8.1 二维流场模拟的验证
2.8.2 三维流场模拟的验证
2.9 本章小结
第3章 双柔性板流固耦合特性的研究
3.1 引言
3.2 物理模型
3.2.1 串列双柔性板绕流的物理模型
3.2.2 并排双柔性板绕流的物理模型
3.3 数值仿真模型及其验证
3.4 串列双柔性板绕流的数值研究
3.4.1 拍动与阻力分析
3.4.2 两种耦合模式分析
3.5 并排双柔性板绕流的数值研究
3.5.1 结构运动与受力
3.5.2 三种耦合模式分析
3.6 本章小结
第4章 柔性板与弹性圆柱耦合系统的数值研究
4.1 引言
4.2 物理模型
4.2.1 柔性板置于圆柱下游的物理模型
4.2.2 柔性板置于圆柱上游的物理模型
4.3 数值仿真模型及其验证
4.4 柔性板置于圆柱下游的数值研究
4.4.1 柔性板长度的影响
4.4.2 约化速度的影响
4.4.3 七种典型模式分析
4.5 柔性板置于圆柱上游的数值研究
4.5.1 板长与间距的影响
4.5.2 三种耦合模式分析
4.6 本章小结
第5章 基于躯体主动柔性变形的喷射推进机理研究
5.1 引言
5.2 数值仿真模型及其验证
5.2.1 数值仿真模型
5.2.2 实验系统的搭建
5.2.3 数值仿真模型的验证
5.3 舒张时间对推进性能的影响及其机理分析
5.3.1 舒张时间对推进性能的影响
5.3.2 典型舒张时间下的运动与流场分析
5.4 等待时间对推进性能的影响及其机理分析
5.4.1 等待时间对推进性能的影响
5.4.2 典型等待时间下的运动与流场分析
5.5 波形系数对推进性能的影响及其机理分析
5.5.1 波形系数对推进性能的影响
5.5.2 典型波形系数下的运动与流场分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录A 仿生水母推进性能实验系统的搭建
附录B 本文数值方法的其余应用示例
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：3792259
【文章页数】：173 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究意义
1.2 流固耦合数值方法的概述
1.3 国内外研究现状
1.3.1 沉浸边界法
1.3.2 基于GPU的并行计算
1.3.3 仿生鱼类运动机理
1.3.4 柔性板流致运动机理
1.4 有待深入研究的问题
1.5 本文的主要研究内容
第2章 柔性结构与流体耦合系统的数值方法研究
2.1 引言
2.2 流场控制方程
2.3 流体域的数值模型
2.4 结构域的数值模型
2.4.1 主动变形结构的数值模型
2.4.2 二维柔性板的数值模型
2.4.3 三维柔性板的数值模型
2.5 流体-结构边界耦合的数值模型
2.6 算法的并行与实施
2.6.1 并行框架
2.6.2 并行策略
2.7 实验平台的研制
2.7.1 循环式流固耦合水洞的研制
2.7.2 DPIV流场可视化系统的研制
2.7.3 SMA柔性驱动关节的研制
2.8 数值方法的验证
2.8.1 二维流场模拟的验证
2.8.2 三维流场模拟的验证
2.9 本章小结
第3章 双柔性板流固耦合特性的研究
3.1 引言
3.2 物理模型
3.2.1 串列双柔性板绕流的物理模型
3.2.2 并排双柔性板绕流的物理模型
3.3 数值仿真模型及其验证
3.4 串列双柔性板绕流的数值研究
3.4.1 拍动与阻力分析
3.4.2 两种耦合模式分析
3.5 并排双柔性板绕流的数值研究
3.5.1 结构运动与受力
3.5.2 三种耦合模式分析
3.6 本章小结
第4章 柔性板与弹性圆柱耦合系统的数值研究
4.1 引言
4.2 物理模型
4.2.1 柔性板置于圆柱下游的物理模型
4.2.2 柔性板置于圆柱上游的物理模型
4.3 数值仿真模型及其验证
4.4 柔性板置于圆柱下游的数值研究
4.4.1 柔性板长度的影响
4.4.2 约化速度的影响
4.4.3 七种典型模式分析
4.5 柔性板置于圆柱上游的数值研究
4.5.1 板长与间距的影响
4.5.2 三种耦合模式分析
4.6 本章小结
第5章 基于躯体主动柔性变形的喷射推进机理研究
5.1 引言
5.2 数值仿真模型及其验证
5.2.1 数值仿真模型
5.2.2 实验系统的搭建
5.2.3 数值仿真模型的验证
5.3 舒张时间对推进性能的影响及其机理分析
5.3.1 舒张时间对推进性能的影响
5.3.2 典型舒张时间下的运动与流场分析
5.4 等待时间对推进性能的影响及其机理分析
5.4.1 等待时间对推进性能的影响
5.4.2 典型等待时间下的运动与流场分析
5.5 波形系数对推进性能的影响及其机理分析
5.5.1 波形系数对推进性能的影响
5.5.2 典型波形系数下的运动与流场分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录A 仿生水母推进性能实验系统的搭建
附录B 本文数值方法的其余应用示例
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历
本文编号：3792259
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