Численное моделирование движения клиновидного двухмассового виброробота в вязкой жидкости
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2016.9.1.1Ключевые слова:
виброробот, численное моделирование, режимы движения, вязкая жидкость, уравнение Навье-Стокса, OpenFOAMАннотация
В работе рассматривается поступательное движение двухмассовой механической системы, помещенной в вязкую несжимаемую жидкость. Система состоит из замкнутого клиновидного цилиндрического корпуса и подвижной внутренней массы, совершающей внутри него гармонические колебания вдоль продольной оси. Перемещения внутренней массы приводят в движение как саму систему, так и окружающую жидкость. В силу несимметрии формы корпуса при смещении вперед вершиной и вперед основанием вызывается различная реакция внешней среды и обеспечивается направленное поступательное движение системы в жидкости. Описанная механическая система имитирует виброробот - мобильное устройство, способное перемещаться в жидкости без подвижных внешних частей. Задача взаимодействия робота с вязкой жидкостью решается с использованием прямого численного моделирования. Исследования проводятся в диапазоне низких чисел Рейнольдса (Re < 250), в котором применима гипотеза о плоском ламинарном течении. Вычислительная схема реализуется в открытом пакете OpenFOAM. Полученные результаты показывают, что взаимодействие жидкости с корпусом имеет комплексный характер, обусловленный, прежде всего, переключением режимов течения жидкости. Структура течения, создаваемого роботом во внешней среде, в свою очередь, существенно влияет на характеристики движения, в том числе определяет его направление. Это приводит к появлению различных режимов движения робота при одинаковых параметрах колебания внутренней массы.
Скачивания
Библиографические ссылки
Гулиа Н.В. Инерция. - М.: Наука, 1982. - 150 с.
2. Черноусько Ф.Л. О движении тела, содержащего подвижную внутреннюю массу // ДАН. - 2005. - Т. 405, № 1. - С. 56-60.
3. Черноусько Ф.Л. Анализ и оптимизация движения тела, управляемого посредством подвижной внутренней массы // ПММ. - 2006. - Т. 70, № 6. - С. 915-941. DOI
4. Черноусько Ф.Л. Оптимальные периодические движения двухмассовой системы в сопротивляющейся среде // ПММ. - 2008. - Т. 72, № 2. - С. 202-215. DOI
5. Болотник Н.Н., Фигурина Т.Ю., Черноусько Ф.Л. Оптимальное управление прямолинейным движением системы двух тел в сопротивляющейся среде // ПММ. - 2012. - Т. 76, № 1. - С. 3-22. DOI
6. Болотник Н.Н., Фигурина Т.Ю. Оптимальное управление прямолинейным движением твердого тела по шероховатой плоскости посредством перемещения двух внутренних масс // ПММ. - 2008. - Т. 72, № 2. - С. 216-229. DOI
7. Zimmermann K., Bohm V., Zeidis I. Vibration-driven mobile robots based on magneto-sensitive elastomers // IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics (AIM), 3-7 July, 2011. - P. 730-735. DOI
8. Akbarimajd A., Sotoudeh N. Design and motion analysis of vibration-driven small robot Rizeh // Adv. Robotics. - 2014. - Vol. 28, no. 2. - P. 105-117. DOI
9. Егоров А.Г., Захарова О.С. Оптимальное по энергетическим затратам движение виброробота в среде с сопротивлением // ПММ. - 2010. - Т. 74, № 4. - С. 620-632. DOI
10. Егоров А.Г., Захарова О.С. Оптимальное квазистационарное движение виброробота в вязкой жидкости // Изв. ВУЗов. Математика. - 2012. - № 2. - C. 57-64. DOI
11. OpenFOAM User Guide, version 2.2.1. http://www.openfoam.org/docs/user/ (дата обращения: 11.11.2015).
12. http://openfoamwiki.net/index.php/Main_Page (дата обращения: 11.11.2015).
13. https://unihub.ru/about (дата обращения: 11.11.2015).
14. Jasak H. Error analysis and estimation for the finite volume method with applications to fluid flows / PhD thesis. - London: Imperial College, University of London, 1996. - 394 p.
15. Jasak H., Weller H.G., Gosman A.D. High resolution NVD differencing scheme for arbitrarily unstructured meshes // Int. J. Numer. Meth. Fluids. - 1999. - Vol. 31, no. 2. - P. 431-449. DOI
16. Versteeg H.K., Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics. The finite volume method. - New York: Longman, 1995. - 257 p.
17. Нуриев А.Н., Зайцева О.Н. Решение задачи об осциллирующем движении цилиндра в вязкой жидкости в пакете OpenFOAM // Вестник Казанского технологического ун-та. - 2013. - Т. 16, № 8. - С. 116-123.
18. Issa R.I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting // J. Comput. Phys. - 1985. - Vol. 62, no. 1. - P. 40-65. DOI
19. Behrens T. OpenFOAM’s basic solvers for linear systems of equations.
20. Zeitoun O., Ali M., Nuhait A. Convective heat transfer around a triangular cylinder in an air cross flow // Int. J. Therm. Sci. - 2011. - Vol. 50, no. 9. - P. 1685-1697. DOI
21. De A.K., Dalal A. Numerical simulation of unconfined flow past a triangular cylinder // Int. J. Numer. Meth. Fl. - 2006. - Vol. 52, no. 7. - P. 801-821. DOI
22. Martinez G. Caractéristiques dynamiques et thermiques de l’écoulement autour d’un cylindre circulaire à nombre de Reynolds modéré / Thèse de Docteur-Ingénieur. - Institut National Polytechnique de Toulouse, 1979.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2016 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.
