基于大涡模拟的海豹胡须流场分析

• 作 者: 吕泽锋
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 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

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。