流体力学讲义-中国科技大学.pdf

目 录 目 录 动边界流动数值模拟方法及其应用 吴锤结 湍流研究的几个问题 王晋军 流动控制研究的若干问题 明 晓 标量湍流特性与 LES 模拟 崔桂香 空化与强非线性自由表面流动 刘 桦 边界层流动稳定性及转捩的研究 罗纪生 湍流的大涡模拟 何国威 鱼类游动实验研究及仿生技术 尹协振 动边界绕流和激波 湍流旋涡分离流的数值模拟 陆夕云 动边界流动数值模拟方法及其应用 吴锤结 湍流研究的几个问题 王晋军 流动控制研究的若干问题 明 晓 标量湍流特性与 LES 模拟 崔桂香 空化与强非线性自由表面流动 刘 桦 边界层流动稳定性及转捩的研究 罗纪生 湍流的大涡模拟 何国威 鱼类游动实验研究及仿生技术 尹协振 动边界绕流和激波 湍流旋涡分离流的数值模拟 陆夕云 动边界流动数值模拟方法及其应用 动边界流动数值模拟方法及其应用 吴锤结吴锤结 1 1 大连理工大学航空航天学院 大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室 详细摘要 详细摘要 动边界流动问题在自然界和工业中普遍存在 但因无论在理论 计算和实验研究中都存在 极大困难 因此人们对其中的流体力学机理了解甚少 本报告从动边界流动的数值模拟方法及 其应用的角度 一方面介绍各种动边界数值模拟方法 另一方面从应用的角度考察动边界数值 模拟方法的各种应用 由于动边界数值算法种类繁多 受能力和水平所限 本报告将仅讨论如 下问题 一 动网格方法 1 ALE 方法及其在直行波壁与圆柱动波浪壁流动控制中的应用 2 ZETA 程序及其在动波浪壁翼型绕流控制中的应用 3 有限体积动网格方法及其在动波浪壁圆柱绕流控制 最优智能物面流动控制和摆动波浪板最 优摆动规律研究中的应用 4 有限元动网格方法及其在颗粒流直接数值模拟中的应用 二 拉格朗日动边界方法 1 格子玻尔兹曼颗粒运动与生长直接数值模拟研究 2 风沙流大涡模拟及沙漠地貌形成与演化研究 三 自由表面的 VOF 方法 1 气泡运动及其演化的直接数值模拟研究 2 多种介质的流动混合研究 1 吴锤结 教授 大连理工大学航空航天学院 电子邮件 cjwudut 个人网站 http 202 118 74 32 四 浸没边界方法 1 鱼群自主游动及其控制 2 运动壁面附近激波与多涡列的相互作用研究 最后 我们讨论了流体力学的未来研究方向 认为湍流是流体力学永恒的研究课题 对其 研究将持续进行 除此之外 未来流体力学的主要突破方向将主要集中在如下两个方面 一 动边界 包括运动固体或柔性体边界 主动或被动变形的物体表面 自由表面 不同流体界 面等 处的涡动力学特性及其控制的研究 该研究将带动整个流体力学学科从主要研究相对静止 不动的对象转向研究自然界和工程领域大量存在的动边界问题 二 超声速与高超声速流中的激波 旋涡 声波相互作用 稳定性和共振的研究 该研究将对 国防 航天 航空中的一些关键技术问题的解决发挥重要作用 致谢 致谢 衷心感谢国家自然科学基金委员会数理学部力学处多年来的支持和帮助 关键词 关键词 动边界数值算法 动网格算法 拉格朗日动边界方法 自由表面的 VOF 方法 浸没边 界方法 参考文献 参考文献 注 在 流体力学基础问题研究进展高级讲习班 上将提供报告和相关论文的 pdf 文件 注 在 流体力学基础问题研究进展高级讲习班 上将提供报告和相关论文的 pdf 文件 1 马晖扬 吴锤结 旋涡与水面相互作用研究 力学学报 1995 年 05 期 2 吴锤结 马晖扬 旋涡 湍流与自由表面的相互作用 力学进展 1997 年 03 期 3 吴锤结 王安 马晖扬 三维涡环与自由表面的粘性相互作用 水动力学研究与进 展 A 辑 1997 年 04 期 4 朱广圣 吴锤结 应用自适应网格方法研究着火和燃烧反应流动 计算物理 1997 年 06 期 5 卢泽民 吴锤结 气体环流生化反应器挡板对流场和传质的影响 农业机械学报 1999 年 05 期 6 Wu C J Xie Y Q 吴锤结 王惠民 单个三维气泡运动的直接数值模拟 河海大学学报 自然 科学版 2005 年 02 期 11 张淑君 王惠民 吴锤结 悬浮颗粒运动的数值模拟方法进展 河海大学学报 自然 科学版 2005 年 06 期 12 吴锤结 李霞 三维气泡与自由表面相互作用的直接数值模拟 固体力学学报 2006 年 S1 期 13 王亮 王明 吴锤结 自主推进俯仰震荡翼型的数值模拟研究 固体力学学报 2006 年 S1 期 14 关晖 吴锤结 涂善东 Y 形冲击射流微混合器流场结构和混合特性的三维数值模拟研 究 固体力学学报 2006 年 S1 期 15 张淑君 吴锤结 王惠民 界面模拟方法在气泡运动领域的应用述评 河海大学学 报 自然科学版 2006 年 06 期 16 Guan H Wu C J 吴锤结 气泡之间相互作用的数值模拟 水动力学研究与进展 A 辑 2008 年 06 期 20 关晖 吴锤结 涂善东 Y 形冲击射流微混合器流场结构和分割强度的数值模拟 华 东理工大学学报 自然科学版 2008 年 03 期 21 王亮 王明 吴锤结 涡量控制对自主推进俯仰振荡翼型推进效率的影响 河海大学 学报 自然科学版 2008 年 03 期 22 李霞 吴锤结 孙芦忠 不同底坡有流流场中单个气泡运动的三维数值模拟 解放军 理工大学学报 自然科学版 2009 1010 3 290 296 23 吴锤结 陈剑 沙漠地貌演化过程的湍流大涡模拟研究 计算力学学报 2009 2626 3 358 363 368 24 Wu C J 吴锤结 气泡群动力特性模拟分析 河海大学学报 自然科学版 2010 年 02 期 28 WANG Liang 1 2 c c 21 2 5 1 2 2 i ijii ij kut utkut ut utcc t m n k kkmnk 2 2 i j j kttkutttcc t m n k kkmnk i m n k 2 ii m n k 2 22 2 5 2 Re 50 k1 k2 k2 1 2 012 2 k k k T k dk kk k T k dk k1 k2 k1 k2 1 k1 k2 23 2 5 2 Re 50 1 1 2 24 2 6 1 Pr T T T Pr T 3 j iji ijii ji u u uuuu xx 平均体重 232g 鲫鱼 平均体长 240mm 平均体重 232g 活鱼在试验 段内游动 活鱼在试验 段内游动 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1437 在对称平面内 反卡门涡街 在对称平面内 反卡门涡街 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1438 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1439 在对称平面内反卡门涡街在对称平面内反卡门涡街 圆柱绕流 圆柱绕流 Karman涡街阻力涡街阻力 鱼游 反鱼游 反Karman涡街推力涡街推力 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1440 V Af St 无量纲无量纲Strouhal数数 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1441 流动速度流动速度 mm sec 频率频率 1 sec 鱼尾振幅鱼尾振幅 mm St 数数 1 97 1 42 24 0 351 2 117 1 19 34 0 346 3 117 1 3 31 0 344 4 152 1 5 35 0 345 鲫鱼的鲫鱼的St数数 0 34 0 35 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1442 各种鱼的各种鱼的St数在数在 0 2 0 4之间之间 M S Triantafyllou and G S Triantafyllou Sci Am March 1995 M S Triantafyllou G S Triantafyllou and R Gopalkrishnan Phys Fluids 3 12 1991 Taylor Nudds and Thomas Nature 425 707 2003 USTC 2010 7 1443 在水洞中鲫鱼尾迹在水洞中鲫鱼尾迹PIV测量测量 PIV测量原理测量原理 活鱼尾迹流场定量测量活鱼尾迹流场定量测量 动态动态PIV实现方法实现方法 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1444 Y X 粒子第一 次的像 粒子第一 次的像 t 后 粒子 第二次的像 后 粒子 第二次的像 12 12 12 lim lim 12 tt YY V tt XX U t 2 t1 t2 t1 PIV测量原理测量原理 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1445 CCD 计算机计算机 流场的像流场的像 100X125mm 查询区查询区 1X1mm 流场的速 度分布 流场的速 度分布 PIV测量原理PIV测量原理 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1446 活鱼尾迹的涡 量场 活鱼尾迹的涡 量场 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1447 尾迹中的射流尾迹中的射流 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 USTC 2010 7 1448 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 动态PIV实现方法 1 动态PIV实现方法 1 用机构精确控制模 型实现可重复运 动 与脉冲激光器 实现同步 通过多 次实验 完成模型 的动态PIV测量 USTC 2010 7 1449 2 2 活鱼巡游实验活鱼巡游实验 动态PIV实现方法 2 动态PIV实现方法 2 用连续激光器和 高速数字摄影机 一起完成动态PIV 测量 摄影机的 速度决定了可测 量的物体运动速 度 USTC 鱼类机动运动分类鱼类机动运动分类 巡游巡游 cruise 机动机动 manoeuvre 加速加速 accelerate 转弯转弯 turn 变速变速 burst and coast 倒退倒退 Back swim C形形 C start S形形 S start 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC 研究对象研究对象 鲫鱼鲫鱼 Crucian Carp Carassius auratus 黄颡鱼黄颡鱼 yellow catfish Pelteobagrus fulvidraco 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC 鲫鱼鲫鱼 拍摄 拍摄1000幅幅 秒 回放秒 回放140幅幅 秒 秒 黄颡鱼黄颡鱼 拍摄 拍摄1000幅幅 秒 回放秒 回放140幅幅 秒 秒 C型起动运动学特征C型起动运动学特征 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC C型起动运动学特征C型起动运动学特征 鲫鱼C形起动的体干曲线鲫鱼C形起动的体干曲线 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 黄颡鱼C形起动的体干曲线黄颡鱼C形起动的体干曲线 序号时刻 秒 序号时刻 秒 2 0 040 3 0 050 4 0 060 5 0 070 6 0 080 7 0 100 8 0 150 9 0 200 10 0 250 11 0 300 12 0 400 13 0 500 14 0 600 USTC C型起动运动学特征小结C型起动运动学特征小结 无论从静止开始或从巡游开始的C型起动过程 大体上可 以分为三个阶段 1 无论从静止开始或从巡游开始的C型起动过程 大体上可 以分为三个阶段 1 尾鳍迅速摆动 身体绕质心加速转动 2 尾鳍向相反方向摆动 身体继续绕质心转动 减速 3 身体停止绕质心转动 质心向前运动 尾鳍迅速摆动 身体绕质心加速转动 2 尾鳍向相反方向摆动 身体继续绕质心转动 减速 3 身体停止绕质心转动 质心向前运动 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC C型起动运动学特征小结C型起动运动学特征小结 质心和转动惯量的变化质心和转动惯量的变化 1 两种鱼的质心基本上都保持在离头部1 3 体长的位置 变化小于2 2 两种鱼的转动惯量差别较大 鱼体都转40 左右 3 鲫鱼转动惯量变化 5 而黄颡鱼转动惯量变化 30 4 研究黄颡鱼C 型起动时必须考虑转动惯量变化的影响 1 两种鱼的质心基本上都保持在离头部1 3 体长的位置 变化小于2 2 两种鱼的转动惯量差别较大 鱼体都转40 左右 3 鲫鱼转动惯量变化 5 而黄颡鱼转动惯量变化 30 4 研究黄颡鱼C 型起动时必须考虑转动惯量变化的影响 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC Weihs 方法 改进的细长体理论 方法 改进的细长体理论 采用Weihs 方法估算了鱼在C形起动过程中受到的 力和力矩 采用Weihs 方法估算了鱼在C形起动过程中受到的 力和力矩 L k j ja lwm t 0 1 dLnF jLjjjj CVAL 2 2 1 C型起动动力学特征C型起动动力学特征 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC 2010 7 1458 0 00 10 20 30 40 50 60 70 8 10 0 10 20 30 moiment mNm time ms moiment 鲫鱼鲫鱼 C型起动动力学特征 力矩 C型起动动力学特征 力矩 0 00 10 20 30 40 50 6 200 150 100 50 0 50 moment mNm time ms moment 黄颡鱼黄颡鱼 逆时针方向力矩为正 逆时针方向力矩为正 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 C型起动动力学特征 力矩 C型起动动力学特征 力矩 USTC 2010 7 1459 0 00 10 20 30 40 50 6 0 1 2 3 4 5 6 F N time ms F 0 00 10 20 30 40 50 60 70 8 0 00 0 05 0 10 0 15 0 20 0 25 0 30 0 35 F N time ms F 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 C型起动动力学特征 力 C型起动动力学特征 力 鲫鱼 黄颡鱼 鲫鱼 黄颡鱼 USTC 斑马鱼斑马鱼 S型起动运动和动力学特征S型起动运动和动力学特征 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC 2010 7 1461 选取的片断 选取的片断 burst coast burst HT MT 变速运动特征变速运动特征 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC 2010 7 1462 斑马鱼斑马鱼burst HT coast 游动游动 变速运动特征变速运动特征 2 3 活鱼机动实验活鱼机动实验 USTC 2010 7 1464 鱼类能够合理利用个体间 有利的流动干扰以节省能量 鱼类能够合理利用个体间 有利的流动干扰以节省能量 2 4 群游实验群游实验 USTC 2010 7 1465 x y U dd L O 串行干扰 并行干扰 串行干扰 并行干扰 群游 群游 schooling 2 4 群游实验群游实验 USTC 2010 7 1466 2 4 群游实验群游实验 USTC 2010 7 1467 内容内容 1 引言引言 2 活鱼游动实验观测活鱼游动实验观测 3 模型实验研究模型实验研究 4 鱼类游动链一体化研究鱼类游动链一体化研究 5 水下仿生机器鱼实验水下仿生机器鱼实验 流体力学基础问题研究进展高级讲习班流体力学基础问题研究进展高级讲习班 USTC 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 无论鸟飞时翅膀上下煽动 还是鱼游时尾 鳍左右摇摆 都可以简化为机翼平动加转 动 无论鸟飞时翅膀上下煽动 还是鱼游时尾 鳍左右摇摆 都可以简化为机翼平动加转 动 二维机翼的沉浮 俯仰及其组合运动是最 基础的研究内容 二维机翼的沉浮 俯仰及其组合运动是最 基础的研究内容 研究鱼类游动最关心的是机翼产生的推力 还是阻力 研究鱼类游动最关心的是机翼产生的推力 还是阻力 USTC 2010 7 1470 2sin ft m 2sin ftAh m 运动控制方程 无量纲参数 运动控制方程 无量纲参数 Uc Re U fA Sta m U fc Stc m 椭圆形截面椭圆形截面 e 0 125 沉浮运动 俯仰运动 联合运动沉浮运动 俯仰运动 联合运动 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1471 沉浮运动沉浮运动 实验结果实验结果 计算结果计算结果 Stc 1 Sta 0 0875 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1472 尾迹涡流场三种模态尾迹涡流场三种模态 涡直线涡直线 反卡门涡街反卡门涡街 Sta 0 0375 Stc 1 25 Sta 0 05 Stc 1 Sta 0 0875 Stc 1 卡门涡街卡门涡街 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1473 涡后走涡后走 涡层涡层 涡振荡涡振荡 前缘涡三种模态前缘涡三种模态 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1474 模态分布图模态分布图 尾迹特征 尾迹特征 1 Sta 数很小时 对应于机翼小振幅振荡 尾流中不 产生集中的涡或者形成类似圆柱后的正 数很小时 对应于机翼小振幅振荡 尾流中不 产生集中的涡或者形成类似圆柱后的正Karman 涡街 涡街 2 Sta数较小时 椭圆形翼尾部脱落的涡几乎处于一 条直线上 数较小时 椭圆形翼尾部脱落的涡几乎处于一 条直线上 3 Sta数较大时 椭圆形翼尾部形成逆数较大时 椭圆形翼尾部形成逆Karman涡街涡街 前缘涡特征 前缘涡特征 1 小小Sta 数时 前缘没有形成一个集中的涡 仅看到 壁面上形成涡层 数时 前缘没有形成一个集中的涡 仅看到 壁面上形成涡层 2 Sta 数大于数大于0 0375时 出现明显的前缘涡 并且前 缘涡沿流动方向向下游运动 时 出现明显的前缘涡 并且前 缘涡沿流动方向向下游运动 3 对于更大的对于更大的Sta数 在一侧生成的前缘涡就被甩到 翼的另一侧 看起来前缘附近总存在前缘涡来回振荡 数 在一侧生成的前缘涡就被甩到 翼的另一侧 看起来前缘附近总存在前缘涡来回振荡 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1475 俯仰运动俯仰运动 正正Karmen涡街 涡街 m 150 f 1 25Hz 涡排列成直线 涡排列成直线 m 22 50 f 1Hz 逆逆Karmen涡街 涡街 m 300 f 1Hz 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1476 模态分布图模态分布图 正卡门涡街 涡分布在一 条直线上 逆卡门涡街 正卡门涡街 涡分布在一 条直线上 逆卡门涡街 机翼绕机翼绕1 2弦做纯俯仰运动时 尾迹流场中 存在三种结构 在 弦做纯俯仰运动时 尾迹流场中 存在三种结构 在Ste 0 105附近 涡街排 列成一条线 大于该值 为逆 附近 涡街排 列成一条线 大于该值 为逆Karmen涡 街 小于该值 为正 涡 街 小于该值 为正Karmen涡街 涡街 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1477 组合运动组合运动 Stc 1 Sta 0 24 f 1Hz 900 尾流总是反卡门涡街 尾流总是反卡门涡街 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1478 结论 结论 机翼做沉浮机翼做沉浮 俯仰联合运动时 尾迹中总是存在逆卡门涡街 俯仰联合运动时 尾迹中总是存在逆卡门涡街 在在Stc 1 Sta 0 25 m 10 时 机翼运动位相差 时 机翼运动位相差 在在 1500 1600附近产生的推力最大 附近产生的推力最大 在在900 110 0附近对应效 率达到最大值 附近对应效 率达到最大值 机翼做沉浮机翼做沉浮 俯仰联合运动时 前缘涡与后缘涡的相互作用对 流场结构以及模型受到的推力有重要影响 俯仰联合运动时 前缘涡与后缘涡的相互作用对 流场结构以及模型受到的推力有重要影响 这也可以说明 鱼在巡游时 要求高效率 和在加速游动时 要求大推力 尾鳍平动和转动的位相差不同 这也可以说明 鱼在巡游时 要求高效率 和在加速游动时 要求大推力 尾鳍平动和转动的位相差不同 3 1 二维翼型实验二维翼型实验 USTC 2010 7 1480 对于对于鳗鲡鳗鲡模式 将鱼体简化成做行波运动的二维柔性板 模式 将鱼体简化成做行波运动的二维柔性板 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1481 实验设备实验设备 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1482 二维波动板装置二维波动板装置 该装置由15组偏心轮运动机构组合而成 该装置由15组偏心轮运动机构组合而成 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1483 A 20 mm 220 mm CtxA 2siny 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 物理问题 物理问题 USTC 2010 7 1484 定义几个参数定义几个参数 行波相速度行波相速度 C 来流速度 来流速度 U 波长波长 220mm 振幅振幅 Am 20mm Re数 数 Re U 本实验雷诺数为 本实验雷诺数为 Re U 5260 以波长 为特征长度的以波长 为特征长度的St数 数 St f U C U 以尾涡宽度以尾涡宽度A为特征长度的为特征长度的St数 数 Sta fA U 为了便于分析 我们取 为了便于分析 我们取A 2Am Am为波动板振幅为波动板振幅 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1485 通过三种实验方法 从不同的角度 定量和定性地对二维波动板绕流问题进 行了研究 通过三种实验方法 从不同的角度 定量和定性地对二维波动板绕流问题进 行了研究 氢气泡法流动显示实验氢气泡法流动显示实验 粒子示踪法流动显示实验粒子示踪法流动显示实验 PIV定量测量PIV定量测量 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1486 不同C U时的流动显示图像 1 2 不同C U时的流动显示图像 1 2 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1487 不同C U时的流动显示图像 2 2 不同C U时的流动显示图像 2 2 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1488 当 C U1时 分离基 本上被完全抑止 当 C U1时 分离基 本上被完全抑止 鱼类游动时C U是大于1的 因此我们可以得出结论 鱼类的波状摆动可以抑制流动分离 鱼类游动时C U是大于1的 因此我们可以得出结论 鱼类的波状摆动可以抑制流动分离 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1489 方法二 粒子示踪法流动显示实验方法二 粒子示踪法流动显示实验 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1490 C U 0 0 17 0 44 1 26时的流动显示图像C U 0 0 17 0 44 1 26时的流动显示图像 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1491C U 0 17时的流动显示图像 运动坐标系下 C U 0 17时的流动显示图像 运动坐标系下 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1492 在绝对坐标系下 无论C U1 其流场 结构都是类似的 流线始于壁面终于壁面 在绝对坐标系下 无论C U1 其流场 结构都是类似的 流线始于壁面终于壁面 在运动坐标下 当C U 1时 在波谷处存在一个旋 涡随波谷一起运动 在运动坐标下 当C U1时 运动坐标系下的流动图像 时 运动坐标系下的流动图像 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1493 方法三 PIV定量测量方法三 PIV定量测量 实验布局实验布局 PIV 系 统系 统 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1494 绝对坐标系下的流场结构绝对坐标系下的流场结构 C U 0 29 0 61 0 78 1 26 1 51 USTC 2010 7 1495 运动坐标系下的流场结构运动坐标系下的流场结构 C U 0 29 0 61 0 78 1 26 1 51 USTC 2010 7 1496 在绝对坐标系下 波动板的上下摆动导致波 谷处的流 线始于壁面并终于壁面 不同C U 下流动图像的拓扑 结构类似 在绝对坐标系下 波动板的上下摆动导致波 谷处的流 线始于壁面并终于壁面 不同C U 下流动图像的拓扑 结构类似 在运动坐标系下 可以清晰的看到C U1时的 流动图像有本质的不同 当0 C U1时 在运动坐 标下 没有任何涡存在 流线与壁面平行 波动板呈 流线型 在运动坐标系下 可以清晰的看到C U1时的 流动图像有本质的不同 当0 C U1时 在运动坐 标下 没有任何涡存在 流线与壁面平行 波动板呈 流线型 PIV的测量结果与粒子示踪法的结果一致 PIV的测量结果与粒子示踪法的结果一致 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1497 计算结果计算结果 Shen 2003 绝对坐标运动坐标绝对坐标运动坐标 C U 0 4 C U 1 2 0 125 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1498 结论结论 1 波动板可以抑制流动分离 改善流场品质 2 在二维波动板问题中 行波相速度与来流速度之比 C U 是一个重要的参数 不同的C U对应不同的流场 特性 3 总结本文实验结果可以画出二维波动板的流场结构图 1 波动板可以抑制流动分离 改善流场品质 2 在二维波动板问题中 行波相速度与来流速度之比 C U 是一个重要的参数 不同的C U对应不同的流场 特性 3 总结本文实验结果可以画出二维波动板的流场结构图 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 1499 对于对于鲹科鲹科模式 将鱼体简化成做单波长运动的二维柔性板 模式 将鱼体简化成做单波长运动的二维柔性板 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14100 Am 10 mm 220 mm sin Ctxx y Am 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 物理问题 物理问题 USTC 2010 7 14101 鱼游模拟器鱼游模拟器 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14102 采用两种方法对尾涡进行了测量采用两种方法对尾涡进行了测量 1 染色线法流动显示实验 染色线法流动显示实验 Re 12320 16500 22000 2 PIV定量测量定量测量 Re 16500 22000 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14103 方法一 染色线流动显示实验方法一 染色线流动显示实验 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14104 流动显示图像流动显示图像 Re 12320 C U 1 75 2 55 3 27 3 93 4 60 5 17 Sta 0 16 0 24 0 30 0 36 0 43 0 47 USTC 2010 7 14105 流动显示图像流动显示图像 Re 16500 C U 1 91 2 44 2 93 3 44 3 86 4 44 Sta 0 17 0 22 0 27 0 31 0 35 0 40 USTC 2010 7 14106 流动显示图像流动显示图像 Re 22000 C U 1 83 2 20 2 58 2 90 3 33 3 53 Sta 0 17 0 20 0 23 0 26 0 30 0 32 USTC 2010 7 14107 C U与流场结构的关系与流场结构的关系 1 当当C U逐渐增大时 尾涡沿流向的耗散逐渐 加快 逐渐增大时 尾涡沿流向的耗散逐渐 加快 2 当当C U较小时 鱼游模拟器的尾迹是正卡门 涡街 当 较小时 鱼游模拟器的尾迹是正卡门 涡街 当C U约为约为2 5 Sta约为约为0 23 时 尾迹变成 单排涡列 当 时 尾迹变成 单排涡列 当C U继续增大时 尾迹变成反卡门涡街 继续增大时 尾迹变成反卡门涡街 3 当当C U逐渐增大时 涡对沿流向的间距是逐渐 减小的 逐渐增大时 涡对沿流向的间距是逐渐 减小的 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14108 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14109 Sta与流场结构的关系Sta与流场结构的关系 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14110 方法二 PIV测量方法二 PIV测量 两组数据 两组数据 Re 16500 22000 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14111 尾迹涡量图尾迹涡量图 Re 16500 USTC 2010 7 14112 尾迹涡量图尾迹涡量图 Re 22000 USTC 2010 7 14113 1 1 PIV测量的结果与染色线法的结果一致 PIV测量的结果与染色线法的结果一致 2 2 定量的信息定量的信息 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14114 结论结论 1 当当C U逐渐增大时 尾涡会由正卡门涡街向单排涡列 再向反卡门涡街转化 近尾迹区涡对的涡量值大致 呈递增的趋势 同时涡对沿流向的间距是逐渐减小 逐渐增大时 尾涡会由正卡门涡街向单排涡列 再向反卡门涡街转化 近尾迹区涡对的涡量值大致 呈递增的趋势 同时涡对沿流向的间距是逐渐减小 2 当当C U逐渐增大时 尾迹沿流向的耗散逐渐加快 逐渐增大时 尾迹沿流向的耗散逐渐加快 3 Sta与流场结构的关系 当与流场结构的关系 当Sta小于小于0 23时 尾迹是正 卡门涡街 当 时 尾迹是正 卡门涡街 当Sta介于介于0 23与与0 35之间时 尾迹要么是 单排涡列 要么是反卡门涡街 这与真实鱼类的游动 情况是基本相符的 之间时 尾迹要么是 单排涡列 要么是反卡门涡街 这与真实鱼类的游动 情况是基本相符的 3 2 波动板模型实验波动板模型实验 USTC 2010 7 14116 肥 皂 膜 水 洞 肥 皂 膜 水 洞 3 3 柔性体实验柔性体实验 USTC 2010 7 14117 细丝连接方式细丝连接方式 20 62 套管固定蚕丝纤维牵引 3 3 柔性体实验柔性体实验 USTC 2010 7 14118 均匀流中单根细丝的摆动均匀流中单根细丝的摆动 19 62 3 3 柔性体实验柔性体实验 USTC 2010 7 14119 细丝的尾涡结构细丝的尾涡结构 21 62 3 3 柔性体实验柔性体实验 USTC 2010 7 14120 不同长度细丝的摆动形态不同长度细丝的摆动形态 22 62 3 3 柔性体实验柔性体实验 USTC 2010 7 14121 细丝摆动曲线拟合细丝摆动曲线拟合 24 62 sin 2 y s tA sf s tsD s 3 3 柔性体实验柔性体实验 USTC 2010 7 14122 细丝摆动曲线拟合细丝摆动曲线拟合 25 62 3 42 53 5 266 10 1 162 10 6 102 10 A ss s s 43 63f s 0 93010 1526ss 32D s 23 0 0052660 00011620 00006102 sin 243 630 93010 1526 y s tsss ts 3 3 柔性体实验柔性体实验 USTC 2010 7 14124 并行排列细丝间的相互作用 28 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14125 物理模型与线性稳定性分析物理模型与线性稳定性分析 29 62 12 23 0 aa aa 2242 111 2 2 2242 322 1coth 2 csch 2 1coth 2 kh aSUkk k kh ak k kh aSUkk k 23 u L U B l m S L 101202 201302 0 0 aa aa 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14126 两根细丝完全相同的情况两根细丝完全相同的情况 30 62 22 12 0aa 2242 13 2 2 1coth 2 csc 2 kh aaSUkk k khkh a k 12 12 12 lll LLL mmm BBB 12 12 UUU SSS 12 23 0 aa aa 01 02 1 101202 201302 0 0 aa aa 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14127 I 静止状态 在这种状态下细丝在流场中保持静止 不发生摆 动 静止状态 在这种状态下细丝在流场中保持静止 不发生摆 动 II 同相摆动模式 同相摆动模式 D 1 0 在这种状态下两根细丝按相 同的摆动方式运动 两细丝摆幅相等 摆动相位差为 在这种状态下两根细丝按相 同的摆动方式运动 两细丝摆幅相等 摆动相位差为0 III 反相摆动模式 反相摆动模式 D 1 180 在这种状态下两根细丝的 摆动沿中间线对称 两细丝摆幅相等 摆动相位差为 在这种状态下两根细丝的 摆动沿中间线对称 两细丝摆幅相等 摆动相位差为180 IV 不确定模式 不确定模式 D 1 0 或 或180 在这种状态下 公式 求解所得到的两种摆动模式 在这种状态下 公式 求解所得到的两种摆动模式 具有相同的最大增长率 理论模 型无法预测同相还是反相摆动占优 具有相同的最大增长率 理论模 型无法预测同相还是反相摆动占优 两根细丝间的耦合状态两根细丝间的耦合状态 31 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14128 耦合模式分布耦合模式分布 32 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14129 实验结果实验结果 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14130 理论分析与实验比较理论分析与实验比较 34 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14131 两根细丝长度不同的情况两根细丝长度不同的情况 35 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14132 实验结果实验结果 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14133 建立了研究二维均匀来流下两并行排列柔性板间耦合 的理论模型 建立了研究二维均匀来流下两并行排列柔性板间耦合 的理论模型 使用线性稳定性分析方法分析了柔性板间耦合模式的 机理 使用线性稳定性分析方法分析了柔性板间耦合模式的 机理 给出了不同模式存在的区域 理论预测与在肥皂膜水 洞的实验结果定性一致 给出了不同模式存在的区域 理论预测与在肥皂膜水 洞的实验结果定性一致 并行排列细丝间的相互作用并行排列细丝间的相互作用 37 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14134 双丝串行排列相互作用双丝串行排列相互作用 39 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14135 高速摄影图像处理方法高速摄影图像处理方法 40 62 t1t 2 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14136 细丝局部在涡街中的运动细丝局部在涡街中的运动 41 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14137 不同流速下细丝摆动频率及不同流速下细丝摆动频率及StSt数数 42 62 a 细丝摆动频率 a 细丝摆动频率f f 随流速随流速U U的变化 b d 的变化 b d St St数随前后两根细丝头部间距的变化曲线 空心符号为上游细丝 实心符号为下游细丝 数随前后两根细丝头部间距的变化曲线 空心符号为上游细丝 实心符号为下游细丝 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14138 串行细丝摆动拟合结果串行细丝摆动拟合结果 43 62 上游细丝下游细丝上游细丝下游细丝 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14139 力与能量的计算公式力与能量的计算公式 44 62 222 2 0 1 21 L p ys E tBds ys 22 0 1 2 L kl xy Etmds tt 24 24 ly yy mBf ts 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14140 前后细丝能量分布前后细丝能量分布 45 62 222 2 1 21 p ys es tB ys 22 1 2 kl xy es tm tt pk e s tes te s t 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14141 前后细丝受力分布前后细丝受力分布 46 62 2 1 2 l y fm t 4 2 4 y fB s 12y fff 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14142 细丝能量与受力计算结果细丝能量与受力计算结果 47 62 上游细丝下游细丝 能量均值受力最大值 上游细丝下游细丝 能量均值受力最大值 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14143 在肥皂膜水洞中开展了前后排列的柔性体在流场中 相互作用的实验研究 在肥皂膜水洞中开展了前后排列的柔性体在流场中 相互作用的实验研究 发现下游细丝在上游细丝产生的涡街中穿行的现象发现下游细丝在上游细丝产生的涡街中穿行的现象 通过实验验证了下游细丝能从涡街中获得能量 其 增加的能量主要用于增加动能 而上游细丝在串行 干扰中受影响较小 通过实验验证了下游细丝能从涡街中获得能量 其 增加的能量主要用于增加动能 而上游细丝在串行 干扰中受影响较小 串行排列细丝间的相互作用串行排列细丝间的相互作用 48 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14144 细丝在圆柱尾迹中的运动细丝在圆柱尾迹中的运动 50 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14145 实验装置实验装置 51 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14146 测力装置 52 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14147 实验结果实验结果 53 62 S modeR modeP mode 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14148 实验结果实验结果 P mode S mode R mode 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14149 测力结果测力结果 55 62 S mode R mode P mode 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14150 波动板减阻波动板减阻 56 62 Shen 2003 Lu 2005 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14151 理论分析理论分析 57 62 A B 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14152 水平肥皂膜水洞实验中发现了柔性体在圆柱尾迹诱导 下的三种响应模式 水平肥皂膜水洞实验中发现了柔性体在圆柱尾迹诱导 下的三种响应模式 在远离圆柱的卡门涡街中 柔性体以涡街的频率在 漩涡中穿行并受到阻力 在远离圆柱的卡门涡街中 柔性体以涡街的频率在 漩涡中穿行并受到阻力 在圆柱的近尾迹区内 柔性体获得推力 在圆柱的近尾迹区内 柔性体获得推力 在介于二者之间时 柔性体间歇地前后运动在介于二者之间时 柔性体间歇地前后运动 从理论方面分析了三种模式的机理 细丝在圆柱尾迹中运动模式 从理论方面分析了三种模式的机理 细丝在圆柱尾迹中运动模式 58 62 3 4 多体干扰实验多体干扰实验 USTC 2010 7 14153 内容内容 1 引言引言 2 活鱼游动实验观测活鱼游动实验观测 3 模型实验研究模型实验研究 4 鱼类运动链一体化研究鱼类运动链一体化研究 5 水下仿生机器鱼实验水下仿生机器鱼实验 流体力学基础问题研究进展高级讲习班流体力学基础问题研究进展高级讲习班 USTC 2010 7 14155 鱼游生物力学的发展趋势鱼游生物力学的发展趋势 研究对象由二维鱼体体干活动向鱼体各部位 鱼体之间及鱼体与环境之间的相互作用及流动 控制方向发展 研究对象由二维鱼体体干活动向鱼体各部位 鱼体之间及鱼体与环境之间的相互作用及流动 控制方向发展 实验手段和技术多样化 精细化和系统化程度 越来越高 实验手段和技术多样化 精细化和系统化程度 越来越高 由单一学科的个体独立研究 逐步发展到多学 科 不同背景 不同角度的合作研究 由单一学科的个体独立研究 逐步发展到多学 科 不同背景 不同角度的合作研究 USTC 2010 7 14156 水媒介水媒介 肌肉肌肉 骨骼肌骨骼肌 中枢神经系统中枢神经系统 皮肤 鳍等 执行器官 皮肤 鳍等 执行器官 运动神经信号运动神经信号 感觉器官感觉器官 神经生物学 生物物理学 神经生物学 生物物理学 动物学 生理学动物学 生理学 肌肉力学肌肉力学 生物材料学生物材料学 形态学形态学 流体力学流体力学 主动收缩主动收缩 被动变形被动变形 鱼体动力学鱼体动力学 鱼体生物运动链鱼体生物运动链 USTC 2010 7 14157 肌电信号是动物的肌肉细胞受电或者神经激活时所产生的 电信号 反映了受神经支配的肌肉的状态 肌电图学 肌电信号是动物的肌肉细胞受电或者神经激活时所产生的 电信号 反映了受神经支配的肌肉的状态 肌电图学 electromyography EMG 是评估与记录肌电活 动的实验技术 是评估与记录肌电活 动的实验技术 I 肌肉 II 肌肉截面示意图 1 脊髓 2 背根 3 腹根 4 感觉 神经 5 运动神经 I 肌肉 II 肌肉截面示意图 1 脊髓 2 背根 3 腹根 4 感觉 神经 5 运动神经 4 2 肌电信号测量4 2 肌电信号测量 USTC 2010 7 14158 肌肉分类肌肉分类 肌肉类型肌肉类型样式特点样式特点主要成分主要成分代谢方式代谢方式 白肌白肌纤维横断面较 粗 因此肌群容 易发达粗壮 纤维横断面较 粗 因此肌群容 易发达粗壮 肌原纤维肌原纤维无氧代谢无氧代谢 红肌红肌纤维比较细长纤维比较细长肌红蛋白和细 胞色素 肌红蛋白和细 胞色素 有氧代谢有氧代谢 4 2 肌电信号测量4 2 肌电信号测量 USTC 2010 7 14159 实验步骤实验步骤 4 2 肌电信号测量4 2 肌电信号测量 1 电极准备 50 m不锈钢丝 1 电极准备 50 m不锈钢丝 氨基绝缘漆沉浸 氨基绝缘漆沉浸 剥离前端 绝缘漆 剥离前端 绝缘漆 两根双绞 两根双绞 表面绝缘的差分电极 2 麻醉 实验用鱼置于含有0 0654gL 表面绝缘的差分电极 2 麻醉 实验用鱼置于含有0 0654gL 1 1的鱼类麻醉剂 MS 222的缓冲溶液之中 几分钟后 实验样本对外 界的接触刺激没有明显反应 3 手术 手术过程中 用细管向鲫鱼的腮注入加氧MS 222 的稀释溶液 0 00327gL 的鱼类麻醉剂 MS 222的缓冲溶液之中 几分钟后 实验样本对外 界的接触刺激没有明显反应 3 手术 手术过程中 用细管向鲫鱼的腮注入加氧MS 222 的稀释溶液 0 00327gL 1 1 以保证手术的顺利进 行 然后植入电极 生物胶固定 缝合 4 实验 以保证手术的顺利进 行 然后植入电极 生物胶固定 缝合 4 实验 苏