蝌蚪游动的IB-LBM数值模拟.pdf

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1、蝌蚪游动的IB-LBM数值模拟丁一宸2015年6月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540蝌蚪游动的IB-LBM数值模拟作者姓名丁一宸学院名称生命学院指导教师徐远清副教授答辩委员会主席唐晓英教授申请学位工程硕士学科专业生物医学工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年6月IB-LBMnumericalmodelingofatadpoleswimmingCandidateName：YichenDingSchoolorDepartment:SchoolofLifeScienceFacultyM

2、entor:A.P.YuanqingXuChair,ThesisCommittee：Prof.XiaoyingTangDegreeApplied:MasterDegreeofEngineeringMajor：BiomedicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：6，2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，

3、学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要物种经过自然选择作用使自己的运动具有高效、低噪等特点。近几年来，随着计算和实验水平的提高，对生物游动的机理重新成为研究热点。蝌蚪游动是一种比较特殊的生物游动，其游动环境为低雷诺数且形体有变态的过程。蝌蚪通过侧线系统对周围流动环境的变化进行感知，通过改

4、变自身的游动，实现减少能耗和提高推进效率的效果。本文采用了浸入边界-格子Boltzmann方法对复杂环境下的蝌蚪的流场进行二维数值模拟，采用格子Boltzmann方法构建流场，并用浸入边界法模拟蝌蚪与流体的相互作用。首先建立蝌蚪的形体模型和游动模型，并在尾部施加轴向弯矩的的方法为其提供推动力。其次，对蝌蚪游动动力学研究，主要从障碍物、壁面、波数、振幅、频率和尾部长度六个因素研究对蝌蚪游动的影响，并通过实验进行模拟验证。通过模拟得出结论如下：（1）障碍物和壁面的存在会影响蝌蚪的游动。障碍物附近的蝌蚪会根据

5、周围流场中压力的变化沿着障碍物游动，而后离开。壁面附近的蝌蚪会保持一段时间的直线稳定游动状态，而后离开壁面。这说明，蝌蚪若是绕到障碍物对面继续之前的运动或是进行贴壁运动，则可能是一种主动控制。（2）改变尾部摆动波数会影响蝌蚪的游动。在一定范围内波数增加可使游动效率增加，其形体的摆动幅度减少。（3）振幅和频率是衡量生物游动的重要因素，本研究中尾部振幅增大，蝌蚪游速有增大的趋势，形体摆动幅度也增加；频率增加，游速增快。（4）蝌蚪尾部长度是蝌蚪物理模型中的重要变量，数值模拟结果发现尾部长度越短，游速越有增加的

6、趋势，形体摆动幅度越剧烈。这与实验中观察到的现象一致。关键词：浸入边界；蝌蚪；流体动力学；生物游动I北京理工大学硕士学位论文AbstractSwimmingofcreatureshascharacteristicsofhighefficiency,rapidmobilityandlownoisethroughthenaturalselection.Inthestudyoffluidmechanics,swimminghasalwaysbeenthehotspot,andtheswimmingoftadp

7、olesisaspecialone.ATadpolelivesinlowReynoldsnumberenvironmentandcanchangeitsbodywhentransformingintoafrog.Thetadpolescansensetheirenvironmentchangesbytheirlaterallinesystem,andtheycanchangetheirformofswimminginordertoreduceenergyconsumptionandtoenhanceth

8、eefficiencyofthepropulsionwiththeaidofthesurroundingfluid.Thenewmodelestablishedinthisarticleemploysimmersedboundary-latticeBoltzmannmethodforcomplexenvironmentoftadpolesofflowfieldinatwo-dimensionalnumericalsimulationandl