一种简单可靠的昆虫扑翼运动图像序列自动分析方法

目前高速摄影相机和多相机系统广泛地用于记录昆虫奇妙的飞行运动,然而分析这些运动图像序列的方法却不能让人满意.提出并测试了一种简单可靠的昆虫飞行图像的自动分析方法.该方法充分地利用了图像序列中相邻两帧间的差别,可自动提取出昆虫的特征点(翼尖点,翼根点,头部端点,腹部端点)和轮廓线(翼前缘轮廓,翼后缘轮廓).采用MATLAB实现并使用虚拟昆虫和真实昆虫运动图像序列测试了该方法.测试结果表明,该方法简单可靠,无需人工干预,不针对特定昆虫,运算量也较小,且能够提供较好的识别结果,甚至在处理昆虫的身体和翅膀部分重叠或者昆虫的翅膀图像呈现明显的透明的图像序列时候结果依然不错.该方法给昆虫图像的形态学特征自动识别难题提供了一个切实可行的解决方法,节省了昆虫扑翼运动图像的分析时间.     

仿鞭毛菌游动的微型机器人近壁运动

鞭毛菌及模仿其运行的微机器人在靠近壁面游动时，其运动模式与远离壁面时有所不同。针对这一现象，本文利用抗力理论和Stokes方程的线性性质，对鞭毛菌在壁面附近运动时流体对其施加的作用力进行分析，建立了鞭毛菌近壁运动的动力学模型。同时计算了细菌在平行于壁面平面内的运动轨迹与游动速度，并与实验数据进行对比分析，结果验证了该理论模型 的有效性。在此基础上，探讨了鞭毛尾的几何和运动学参数与细菌的速度变化量之间的关系。本文研究为微型仿生游动机器人运动控制时规避近壁效应提供参考依据。     

建筑物干扰条件下双烟囱的风洞试验研究

主要介绍某发电厂双烟囱在有建筑物干扰条件下的风洞试验研究,并主要测试了烟囱在各个风向角条件下基底的静态力和动态力.刚性模型的试验结果表明:当两烟囱处于串列状态时,上风侧烟囱存在显著的遮挡效应,使得下风侧烟囱的静态基底力显著降低.气动弹性模型试验得到的动态基底力结果表明:当两烟囱处于串列状态时,上风侧烟囱对下风侧烟囱的气动干扰较为显著,导致其动态力较大.当烟囱前方存在厂房干扰,且风向角为195°时,烟囱基底的合成弯矩有最大值.     

双面抛光加工运动过程分析与数学模型的建立

晶片在双面抛光加工过程中具有多向运动、受力复杂、表面材料微细去除的特征,晶片的运动和受力是影响双面抛光加工质量的主要因素。本文通过分析双面抛光加工时晶片的运动规律和受力状态,建立了双面抛光加工时晶片运动的数学模型。研究结果表明,晶片的运动是行星运动和自转运动的合成,当晶片质量和惯性矩较小并可以忽略时,晶片的自转速度与抛光压力、抛光垫和晶片表面间的摩擦状态无关,而与行星轮和晶片端面间的摩擦状态、行星轮系统运动参数和抛光盘转速有关。     

水平槽道内气固两相湍流中颗粒行为的PIV实验研究

运用PIV技术对充分发展的水平槽道内稀疏湍流两相流中的颗粒行为进行了定量研究.实验中壁面雷诺数Rer=430,使用颗粒为直径60μm的聚乙烯微珠,测量了0.1%和0.5%两种质量荷载.研究发现,颗粒最大浓度出现在y+≈10的位置上.对两种质量荷载,下壁面附近的颗粒体积分数最大值均远小于10-3量级,仍属于稀疏两相流.槽道下壁面附近,向上运动的颗粒概率大于向下运动的颗粒,两者概率的差异随着法向距离的增大而减小.在y- =10~30的范围内,颗粒相“喷射”事件(Q2)和“下扫”事件(Q4)概率分别显著地大于和小于当地流体对应值.颗粒相主要通过促进Q2且抑制Q4来实现对流体湍流的影响,颗粒的这一作用随着法向距离的增加而逐渐减弱.     

昆虫的扑翼轨迹及高升力机理

通过昆虫飞行运动学测试系统测试了约束状态下蜻蜓、独角仙和鸣鸣蝉等3种昆虫飞行时的各项参数,分析了1个周期的扑翼过程、扑翼轨迹和翅膀变形等。蜻蜓的扑翼频率为22±3 Hz,独角仙的扑翼频率为30±5 Hz,鸣鸣蝉的扑翼频率为39±6 Hz;蜻蜓的翼尖轨迹为"8"字形,独角仙为类"8"字形,鸣鸣蝉为椭圆形;发现在下扑和仰旋阶段,翅膀形状近似为伞状,这种伞状效应能有效提高升力。研究昆虫飞行不同拍翅模式下的升力特性对微型飞行器的机动飞行设计有参考意义。     

气液两相流在180°弯头上T形管处相分离的实验研究

利用180°弯头上的T形管考察气液两相流的相分离行为,以加深对两相流在T形管处相分离机理的理解。以空气和水为两相流工作介质,在鼓泡流和环状流条件下,入口主管分别以垂直向上和垂直向下2种方式放置,通过改变气液入口流型和流速,考察了180°弯头上T形管处合力的大小和流型的变化,测定了该处的相分离数据。实验结果表明:入口主管垂直向上时,在鼓泡流条件下,气体主要受液体的浮力作用,液相主要受重力作用,侧支管以气相采出占优,增加气液流速对气相采出不利;而在环状流条件下,液体离心力占主导地位,侧支管以液相采出占优为主,气液两相流速增加对相分离有利;主管垂直向下时,在环状流条件下,以液体向下的离心力和重力占主导地位,侧支管中液相采出占优,增大气体流速或者液体流速,不利于液相在侧支管的采出。利用T形管处的合力大小、入口流型和两相入口动量能有效解释相分离结果的变化规律。     

高焓加热实验壁面催化效应分析

高焓地面加热实验中存在显著的壁面催化复合现象。热防护材料催化性能较低时，如果进行状态标定时不考虑壁面催化效应，将导致地面加热考核实验欠考核。基于平板加热实验，通过结构传热分析与地面实验数据对比，发展了高焓加热实验壁面催化效应分析方法。该方法可以评估加热实验状态典型热防护材料催化效应，从而为地面实验方案改进和完善提供技术支撑。通过分析发现，对于某热防护材料，催化效应使得真实受热仅为标定热流的85%左右，在采用铜制塞式热流传感器进行热流标定时，需要考虑催化效应加严考核条件，才能保证有效考核。     

非定常同向激波边界层干扰的实验和数值模拟

运动激波在波前同向气流中传播时与壁面附近边界层发生的相互作用，既不同于定常的激波边界层干扰，也与普通激波管中端壁反射激波与边界层的作用有很大差异。通过实验和数值模拟对这一问题进行研究表明，激波与边界层作用后,波面在壁面附近发生了明显弯曲，且触及壁面；弯曲的激波与壁面进一步作用后发生反射，由于波前气流速度不同，这种反射存在规则反射和马赫反射两种类型；由于激波反射，波后壁面附近形成了一个高压区；激波与边界层作用后，波后边界层内出现了一系列高低压区相间的流场结构。     

键连接组合梁的剪力计算

利用接触面层间纵向伸长相等的条件,建立了键连接组合梁在外荷载作用下弯曲变形时的内力平衡方程,并推导出了键连接组合梁的层间剪力计算公式;提出了计算键连接组合梁、铆接组合梁、螺栓连接组合梁弯曲变形时的剪力计算方法,对准确认识、理解、掌握键连接组合梁弯曲变形有实际意义。     

基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段，并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中，测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力，尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数，是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用，可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势，从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。     

线状多体系统定常气动力节段模型风洞测试

在风—车—桥耦合振动分析及具有独立式双层桥面的大跨桥梁风致振动分析中常需得到考虑相互气动影响的各构件的三分力系数。为进行线状多体系统定常气动力测试,在常规桥梁节段模型三分力测试装置的基础上研制了一种三分力分离装置———交叉滑槽系统。该系统利用环形滑槽和直线滑槽交叉点位置的变化来调整各测试构件间的相对几何关系,并能实现多构件的同轴转动,从而方便地进行不同迎角情况下的气动力的测试。最后,利用交叉滑槽系统对一具有双层桥面的钢管混凝土系杆拱桥在其上有车及无车情况下各构件的定常气动力进行了测试,试验结果表明:车辆的存在对上、下桥面的气动力有较明显的影响。     

单固支带阻力元片式铰链力矩天平研制

受大展弦比试验模型和天平结构条件限制，在高速风洞中采用传统结构的片式铰链力矩天平难以实现对操纵舵气动力的精确测量，其主要原因是传统片式铰链力矩天平无阻力测量单元，无法测量阻力，使得阻力对铰链力矩测量的干扰无法修正，同时传统结构的片式铰链力矩天平在试验中受机翼变形影响较大，影响试验数据精准度。针对这一问题，在中国空气动力研究与发展中心高速所开展了单固支带阻力元片式铰链力矩天平结构设计研究，并成功应用于某飞机模型舵面铰链力矩测力试验。校准数据以及试验结果表明，该天平能够有效测量阻力，基本消除了机翼变形对测量的影响，同时还可以减小附加力矩，增加天平载荷匹配性，有效提高试验数据质量。     

脉冲型风洞用加速度计测力天平

在工作时间＜３ｍｓ的脉冲型风洞中的试验模型上选定位置处，安装加速度计来进行力和力短的测量。对于高焓脉冲型风洞模拟再入飞行，研究高超声速真实气体效应是十分必要的。     

剪切气流驱动液滴运动的受力分析

实验研究了剪切流驱动的液滴在固体表面上起始运动的受力机理.工作中使用一系列液体和固体表面来获得不同的液滴接触角,并在小型风洞中进行实验.实验中对液滴的启动气流速度进行了测量,并综合各种起始时刻的参数信息,建立了一个关于液滴接触线表面张力和剪切气流拖拽力平衡的数学模型,揭示了液滴脱落时刻的受力情况.所建立的模型更适合液滴1变形情况,但对于其它类似情况的剪切气流驱动液滴运动也能够进行合理的描述.     

矩形断面非线性驰振自激力测量及间接验证中若干重要问题的讨论

采用专门研制的小型动态测力天平，通过弹簧悬挂节段模型内置天平同步测力测振风洞试验，对3:2矩形断面的非线性驰振自激力进行了测量。比较了基于实测自激力重构的节段模型位移响应时程与试验结果，从而对自激力测量精度进行了间接的验证；讨论了在进行这种验证时考虑节段模型系统等效阻尼和刚度参数非线性特性的重要性、非风致附加自激力和风致自激力在动态力中的占比、忽略非风致附加气动阻尼力和惯性力的非线性特性对自激力测量精度的影响等若干重要问题。结果显示:对于3:2矩形断面，非风致附加自激力在测得的总动态力中的占比超过了风致自激力的占比，因此从测得的总动态力中提取自激力时必须扣除非风致附加自激力；非风致附加气动阻尼力和惯性力的非线性对驰振自激力测量精度有一定影响，值得考虑；节段模型系统等效阻尼和刚度参数的非线性对节段模型驰振位移响应的重构精度有明显影响，在验证自激力测量精度时必须加以考虑。     

2.4m×2.4m跨声速风洞虚拟飞行试验天平研制

要解决先进飞行器的气动/运动非线性耦合问题,就需要建立气动/飞行力学一体化的虚拟飞行试验平台,用于获取飞行器机动飞行过程中的非定常气动力特性,弄清气动/运动非线性耦合机理。2.4m×2.4m 跨声速风洞(以下简称2.4m风洞)虚拟飞行试验天平研制技术是虚拟飞行试验机理性研究的关键技术之一。由于试验模型为两段的细长结构,天平设计空间受到限制,并且载荷极不匹配。风洞试验研究要求天平不仅要实现分段模型气动力的测量,还要实现两段模型的同步小摩擦滚转运动,传统天平无法满足试验要求。新设计的天平采用一种带有轴承和心轴的环式“双天平”新结构,较好解决了载荷匹配问题以及测量与运动之间的矛盾。天平设计利用有限元软件ANSYS进行应变和应力分析与优化,并设计了耦合式电桥。天平静校和风洞试验数据表明,该天平满足风洞虚拟飞行试验机理性研究的要求。     

串置双五分量天平的研制

本文介绍风洞应变天平中首次研制成功的一台串置双五分量天平。串置双天平由一块钢材制成。O_1天平固定在 O_2天平的受力端。O_2天平既能测量左平尾载荷,又能传递由 O_1天平测量的右平尾载荷。正确分析两台天平的受力传力路线和弹性变形的综合位移量,用严谨的数学公式描述两台天平测量的力和传递的力。对这两种力进行数学分解,形成数学模型,写出天平静校公式的数学表达式,并据此研制天平静校设备,分析天平在各分力作用下的弹性位移,写出弹性角公式。上述各点是串置双天平的核心问题。最后经风洞引导性实验证明,串置双天平的原理、方案、受力分析、静校公式等都是正确的。在国内外,串置双天平第一次用于风洞实验,获得了初步成功。     

粗糙聚氨酯表面微接触状态下粘着力的模拟

以JKR接触理论和GW粗糙表面模型为基础,将聚氨酯表面与光滑蓝宝石球的接触作为点接触,与玻片的接触看做是多个凸峰与光滑平面的接触,建立接触力学模型分析粘着力与法向力间的关系。结果显示:聚氨酯与蓝宝石球接触时,粘着力不随法向力变化;聚氨酯与载玻片接触时,粘着力随法向力成对数变化,即在法向力很小时,粗糙峰起关键作用,接触点数和接触总面积随法向力增加而增加,粘着力迅速增大,当法向力继续增大达到一定值时,实际接触点数和接触总面积随法向力增加缓慢,表面间趋于饱和接触,故粘着力亦变化缓慢。模拟结果与试验结果接近,说明模拟方法可行、结果可靠。