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哈尔滨工业大学学报 2022年第6期54卷 63-71页

作者：王森徐贺孔德义熊玉林中国科学院合肥物质科学研究院智能机械研究所合肥230031 中国科学技术大学信息科学技术学院合肥230026 中国科学院种子创新研究院北京100101

为检测水中运动目标的尾流特征,获取运动目标运动轨迹方向、几何尺寸等参数信息,通过模仿海豹使用胡须探测猎物的机理,提出了一种仿海豹胡须的尾流探测方法。首先,用3D打印技术制作了与海豹胡须形态相似的胡须模型,并结合压阻元件等材... 详细信息

为检测水中运动目标的尾流特征,获取运动目标运动轨迹方向、几何尺寸等参数信息,通过模仿海豹使用胡须探测猎物的机理,提出了一种仿海豹胡须的尾流探测方法。首先,用3D打印技术制作了与海豹胡须形态相似的胡须模型,并结合压阻元件等材料制作了可感知水中运动目标尾流的传感器阵列。其次,设计尾流检测实验方案,并对0.5、1.0、1.5 m/s的均匀来流及具有微小波动的非均匀流场情况进行仿真分析,获取不同流场情况下的尾流速度场分布,分析S;的升力系数及频谱分布,并与理论计算得到的尾流漩涡脱落频率进行对比,验证实验方案的有效性。最后,在实验室条件下,采用该传感器阵列实现了对被测目标尾流特征的测量,并分析了仿海豹胡须夹角对尾流检测的影响。结果表明:在不同来流情况下,胡须模型升力系数波动较明显,经快速傅里叶变换获得的主频与尾流漩涡脱落频率理论值一致性较好;在尾流区内传感器探测尾流信号的平均电压值是非尾流区的3倍以上,由此可准确识别出尾流区和非尾流区。在此基础上,对平均电压值衰减的梯度方向进行分析,实现了对被测目标运动轨迹方向的估算。该传感器阵列测得尾流信号的最大响应频率接近数值仿真的主频,通过对该响应频率进行反演,实现了对被测目标直径尺寸的估计;仿海豹胡须夹角的大小会影响传感器涡激振动的产生,增加扰动信号,但对运动轨迹方向的估算及被测目标尺寸的估计无明显影响。

关键词：传感器阵列海豹胡须尾流特征仿生结构信号检测

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不同尾流下斑海豹胡须涡激振动特性

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空气动力学学报 2024年

作者：山龙祥李轲郭承鹏张扬南京航空航天大学航天学院中国航空工业空气动力研究院

为了研究斑海豹胡须系统灵敏感知识别物体尾流的能力，对胡须在不同尾流中的水动力特性进行分析：首先基于斑海豹胡须的通用几何外形参数方程，构建了真实胡须的几何模型，随后在雷诺数Re=300条件下对圆柱、方柱以及菱形柱尾流下胡须的... 详细信息

为了研究斑海豹胡须系统灵敏感知识别物体尾流的能力，对胡须在不同尾流中的水动力特性进行分析：首先基于斑海豹胡须的通用几何外形参数方程，构建了真实胡须的几何模型，随后在雷诺数Re=300条件下对圆柱、方柱以及菱形柱尾流下胡须的涡激振动进行数值模拟，研究了胡须模型的振动特性和流场结构，对比分析了不同尾流下胡须的动力学响应。数值结果表明，不同尾流下胡须横流向振动主频均能与上游物体涡脱落频率保持一致，同时柱间流动模式以及相关振动统计参数存在明显差异，揭示了斑海豹胡须根据不同尾流感知识别物体的机理。

关键词：海豹胡须涡激振动流动感知流固耦合

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基于大涡模拟的海豹胡须流场分析

基于大涡模拟的海豹胡须流场分析

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作者：吕泽锋哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在认知机器人设计中,触觉传感系统因其稳定性收到广泛的应用。目前,触觉传感器的设计灵感多来自于哺乳动物的胡须。海豹胡须在猎物尾迹的中会产生剧烈振动,这种特性使其成为水下传感器设计灵感的主要来源。本文结合国内外海豹胡须相关... 详细信息

在认知机器人设计中,触觉传感系统因其稳定性收到广泛的应用。目前,触觉传感器的设计灵感多来自于哺乳动物的胡须。海豹胡须在猎物尾迹的中会产生剧烈振动,这种特性使其成为水下传感器设计灵感的主要来源。本文结合国内外海豹胡须相关研究的成果,通过对不同海豹胡须流场的计算,研究胡须在流场中受到的作用,从而解释海豹胡须的探测原理,并为海豹胡须传感器的设计提供理论指导。本文基于大涡模拟的数值方法,对不同工况下的海豹流场进行了计算,其中包括胡须在均匀来流和尾迹中的绕流场,以及不同攻角的胡须绕流场。通过胡须表面力以及绕流场特性分析胡须的运动响应。在均匀来流的情况下,对比分析了雷诺数Re=3000时的胡须和圆柱绕流场。计算结果表明,胡须表面升力和阻力系数的波动极小,脉动升力系数为圆柱的二十分之一。与圆柱绕流的二维特性不同,胡须周围的压力分布和速度分布随着轴向位置的不同而发生改变,不同截面的边界层脱落方向也不相同,这种不同步的涡脱落模式使胡须表面力的波动减小,从而抑制胡须的涡致振动。本文在攻角对于绕流场影响的研究中,计算了0°、30°、60°及90°四种攻角的胡须柱绕流场。随着攻角的增大,胡须表面力的波动逐渐增大,但小攻角时胡须的升力和阻力系数脉动值仍然保持在一个极小的范围,当攻角超过一定范围后,胡须受到力的波动会剧烈增加,抑制涡致振动的能力消失。压力和速度分布中,小攻角胡须流场的三维特性仍然存在,但攻角为60°和90°时,流场各截面之间的差异几乎消失,流动模式趋近于二维流动,并且在胡须的尾迹区中会出现经典的卡门涡街。当胡须处于上游尾迹时,其涡致振动极其强烈,升力系数脉动值为均匀来流时的71倍,而圆柱在尾迹中的升力系数脉动值只增加了1.6倍,此时胡须的阻力系数脉动值也大幅度增加。在分析流场时发现,胡须会影响上游的尾流,尾流中的涡层在胡须表面被分离,涡中的动能被胡须表面吸收,以力的波动表现出来,而圆柱中,交替的涡层绕过圆柱,并不会传递能量。本文研究结果不仅有助于理解海豹游动时感知周围流体流动方向和周围环境改变的机理,同时也为基于斑海豹胡须的仿生传感器的优化设计提供理论指导。

关键词：触觉传感器海豹胡须大涡模拟升力系数阻力系数涡致振动

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海豹胡须型仿生水底探测器的实验研究

海豹胡须型仿生水底探测器的实验研究

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2018年全国工业流体力学会议

作者：任海刚李子焱温新中国船舶工业系统工程研究院上海交通大学机械与动力工程学院

作为海洋工程装备的核心部件,水下探测器可以感知海洋环境信息,直接影响到海洋装备的性能。但是传统的视觉与听觉传感器往往受到探测距离有限和功耗高等限制。海豹经过千万年的进化和学习过程,可以仅仅通过胡须感受细微水流变化,判断鱼... 详细信息

作为海洋工程装备的核心部件,水下探测器可以感知海洋环境信息,直接影响到海洋装备的性能。但是传统的视觉与听觉传感器往往受到探测距离有限和功耗高等限制。海豹经过千万年的进化和学习过程,可以仅仅通过胡须感受细微水流变化,判断鱼群位置。本文探索了一种基于仿生原理的海豹胡须型水下探测器。其具有探测范围远、低功耗和低成本的潜在优势,十分适合应用在水下无人航行器上。本试验通过研究海豹胡须模型流动控制机制,优化模型几何结构,制造样机。在水槽试验中,良好验证了该新型水底探测器的目标探测能力,初步掌握了该新型探测器的工作规律,为以后的实际应用提供了宝贵的指导数据。

关键词：水底探测器仿生海豹胡须实验研究海洋工程

来源： cnki会议 cnki会议评论

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仿生水下探测器试验研究

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实验流体力学 2020年第4期34卷 9-15页

作者：刘佳俊李子焱任海刚刘应征温新上海交通大学机械与动力工程学院叶轮机械研究所上海200240 中国船舶工业系统工程研究院北京100094

水下探测器广泛运用于海洋工程装备中,是船舶、潜艇等感知水下环境的主要设备。目前常用的传感器有着探测距离短、消耗功率高、信噪比不足等缺陷,应用受到较大限制。长期以来,仿生学研究为海洋工程装备的设计提供了大量的创新灵感。研... 详细信息

水下探测器广泛运用于海洋工程装备中,是船舶、潜艇等感知水下环境的主要设备。目前常用的传感器有着探测距离短、消耗功率高、信噪比不足等缺陷,应用受到较大限制。长期以来,仿生学研究为海洋工程装备的设计提供了大量的创新灵感。研究发现,海洋生物中的海豹在水下的捕食和避险等行为依赖于其胡须的特殊结构对水下环境进行感知。本文通过对海豹胡须结构的研究,仿制了海豹胡须型水下探测器,通过水槽试验验证了其水中目标探测能力。在试验中,针对角度、来流速度和探测目标位置等不同工况进行了研究,通过探测器收集到的信号的频谱分析,掌握了海豹胡须型探测器的工作规律。

关键词：仿生海豹胡须水下探测器海洋工程频谱分析

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斜椭圆截面仿生斜拉索模型气动力与尾流特性研究

斜椭圆截面仿生斜拉索模型气动力与尾流特性研究

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作者：闵祥威哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

斜拉桥和悬索桥外形美观、具有高超的跨越能力,被越来越多地应用在新建桥梁中,大跨度的索体系桥梁往往承担着极其重要的交通任务,因此桥梁安全至关重要。然而大跨度桥梁刚度和阻尼较小,极易在风荷载的作用下产生风致振动,影响桥梁的安... 详细信息

斜拉桥和悬索桥外形美观、具有高超的跨越能力,被越来越多地应用在新建桥梁中,大跨度的索体系桥梁往往承担着极其重要的交通任务,因此桥梁安全至关重要。然而大跨度桥梁刚度和阻尼较小,极易在风荷载的作用下产生风致振动,影响桥梁的安全和耐久。其中,斜拉索和吊杆在大跨桥梁中属于柔性结构,极易在风的作用下产生涡激振动,长久之下造成斜拉索的疲劳破坏,影响使用耐久性和行车舒适性。海豹依靠胡须可以在浑浊的水域和漆黑的深海中捕猎,具有很高的效率,这是由于海豹胡须的独特外形可以提高其对猎物尾迹的探测能力,能够更高效地追寻猎物的尾迹进行捕猎。研究发现海豹胡须外形能够抑制涡激振动。本文基于海豹胡须的独特外形提出了两种海豹胡须仿生的斜拉索模型进行斜拉索的被动流动控制,并进行了以下研究工作:首先研究了两类仿生斜拉索模型的气动力特性。通过风洞试验测量了仿生斜拉索模型在不同风攻角下的升阻力系数和表面压力系数的分布,从气动力的角度评估控制效果。与标准圆柱相比,第一类仿生斜拉索模型阻力系数平均值和升力系数均方根值最大分别减小27%和90%。然而与海豹胡须类似,第一类仿生斜拉索模型同样有着对来流风角度敏感的特点,当来流风方向与控制截面的主轴平行或垂直时控制效果较好,当角度偏离45°时控制效果减弱甚至消失。因此设计了不受来流风角度影响的第二类仿生斜拉索,阻力平均值和升力均方根值最大分别减小35%和95%。然后通过粒子图像测速技术(PIV)对两类仿生斜拉索模型进行流场可视化,研究其流场特性。结果表明仿生表面可以将模型尾部旋涡形成区向下游推移,使尾流场的湍动能降低,仿生表面改变了尾流旋涡沿展向的尺度,不同截面后旋涡形成区的长度和宽度出现规律性变化。最后分析了仿生斜拉索的流动控制机理。仿生斜拉索在模型表面和旋涡之间形成了一个过渡带,显著减小近尾流区风速的脉动性,进而减小尾流对模型表面的作用力。此外,仿生表面改变了斜拉索尾流沿展向的分布,流动沿展向的相关性减弱,呈现三维流动姿态,有利于减小气动力。

关键词：椭圆倾斜截面海豹胡须仿生被动控制斜拉索 PIV

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仿生水底探测器的实验研究

仿生水底探测器的实验研究

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第十届全国流体力学学术会议

作者：任海刚李子焱温新中国船舶工业系统工程研究院上海交通大学机械与动力工程学院

作为海洋工程装备的核心部件,水下探测器可以感知海洋环境信息,直接影响到海洋装备的性能。但是传统的视觉与听觉传感器往往受到探测距离有限和功耗高等限制。本文探索了一种基于仿生原理的海豹胡须型水下探测器。其具有探测范围远、低... 详细信息

作为海洋工程装备的核心部件,水下探测器可以感知海洋环境信息,直接影响到海洋装备的性能。但是传统的视觉与听觉传感器往往受到探测距离有限和功耗高等限制。本文探索了一种基于仿生原理的海豹胡须型水下探测器。其具有探测范围远、低功耗和低成本的潜在优势,十分适合应用在水下无人航行器上。海豹经过千万年的进化和学习过程,可以仅仅通过胡须感受细微水流变化,判断鱼群位置。本实验通过研究海豹胡须模型流动控制机制,优化模型几何结构,制造样机。在水槽实验中,良好验证了该新型水底探测器的目标探测能力。并对该探测器在不同角度、不同来流速度和与不同的探测距离的工况下,进行了细致的实验研究。掌握了该新型探测器的工作规律,为以后的实际应用提供了宝贵的指导数据。

关键词：水底探测器仿生海豹胡须实验研究海洋工程

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