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胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量

梁亮 唐蒲华 刘煜

梁亮, 唐蒲华, 刘煜. 胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量[J]. 实验流体力学, 2021, 35(3): 60-68. doi: 10.11729/syltlx20200145
引用本文: 梁亮, 唐蒲华, 刘煜. 胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量[J]. 实验流体力学, 2021, 35(3): 60-68. doi: 10.11729/syltlx20200145
LIANG Liang, TANG Puhua, LIU Yu. Numerical simulation and experimental measurement of fluid flow field in pipe with capsule robot[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(3): 60-68. doi: 10.11729/syltlx20200145
Citation: LIANG Liang, TANG Puhua, LIU Yu. Numerical simulation and experimental measurement of fluid flow field in pipe with capsule robot[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2021, 35(3): 60-68. doi: 10.11729/syltlx20200145

胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量

doi: 10.11729/syltlx20200145
基金项目: 

国家自然科学基金 51875051

湖南省自然科学基金 2019JJ40324

湖南省教育厅科学研究项目 19A047

湖南省教育厅科学研究项目 20A043

详细信息
    作者简介:

    梁亮(1977-), 男, 湖南株洲人, 教授, 博士。研究方向: 胶囊机器人与流体流场分析。通信地址: 湖南省长沙市开福区洪山路98号长沙学院机电工程学院(410022)。E-mail: liang@ccsu.edu.cn

    通讯作者:

    梁亮, E-mail: liang@ccsu.edu.cn

  • 中图分类号: TB126;TP242

Numerical simulation and experimental measurement of fluid flow field in pipe with capsule robot

  • 摘要: 胶囊机器人广泛应用于人体肠道的检查和治疗。根据永磁体法,设计制造了一种磁控光滑胶囊机器人。基于计算流体动力学(CFD)方法,模拟了胶囊机器人在充满黏液的管道内旋进(旋转和平移)时,其周围流体的流场(速度和涡量);利用粒子图像测速(PIV)技术测量该流场;计算了胶囊机器人以不同转速旋进时,管道内流体流场以及胶囊机器人所受到的阻力、阻力矩和周围流体的平均湍流强度等。最后,还对胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小进行了实验测量。结果表明:1)随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人四周和下部区域流体速度和流体涡量都略微增大,而其周围流体的流线和涡量分布规律基本相似。2)随着胶囊机器人转速的增大,胶囊机器人前进方向所受阻力矩和周围流体平均湍流强度均增大,而其前进方向所受阻力基本不变。3)实验测量到的胶囊机器人周围流体流线的形状和分布、流体速度及涡量的分布和大小与数值计算结果基本相似。
  • 图  1  胶囊机器人结构和驱动原理示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of structure and driving principle of capsule robot

    图  2  胶囊机器人系统网格图

    Figure  2.  Divided mesh of capsule robot system

    图  3  管内流场PIV测量原理示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of PIV measurement principle of fluid flow field in pipe

    图  4  胶囊机器人管内流场PIV测量实验系统

    1. 片光源镜头2. 多轴运动平台3. 玻璃水槽4. 实验玻璃圆管5. 磁性胶囊机器人6. 外部永磁体7. 导光臂8. 激光器9. PIV测量系统电脑及同步器10. CCD相机

    Figure  4.  PIV experimental system for measuring fluid flow field in pipe with capsule robot

    图  5  胶囊机器人样机

    Figure  5.  Capsule robot prototype

    图  6  管道内流体参考坐标系

    Figure  6.  Reference coordinate system of fluid in the pipe

    图  7  胶囊机器人与管道上壁面区域流体x方向速度(n=150 r/min)

    Figure  7.  x-directional velocity of fluid between capsule robot and upper wall of pipe (n=150 r/min)

    图  8  胶囊机器人周围流体的流线和速度云图叠加

    Figure  8.  Superimposition of the streamlines and velocity clouds of the fluid around capsule robot

    图  9  胶囊机器人周围流体的涡量

    Figure  9.  Vorticity of the fluid around capsule robot

    图  10  胶囊机器人下部区域流体绕z轴涡量数值计算和实验测量的对比(v=0.04 m/s, n=150 r/min)

    Figure  10.  Comparison of numerical calculation and experimental measurement of fluid vorticity around z-axis at the lower zone of capsule robot (v=0.04 m/s, n=150 r/min)

    图  11  数值计算的不同机器人转速下管内流体速度云图和流线叠加

    Figure  11.  Fluid velocity nephogram and streamline superposition in the pipe at different rotational speeds of robot by numerical calculation

    图  12  数值计算的不同机器人转速下管内流体涡量

    Figure  12.  Fluid vorticity in the pipe at different rotational speeds of robot by numerical calculation

    图  13  数值计算的不同转速下机器人下方流体绕z轴涡量最大负值

    Figure  13.  Maximum negative vorticity of fluid under the robot around z-axis at different rotational speeds of robot by numerical calculation

    图  14  机器人前进方向所受阻力与机器人转速关系

    Figure  14.  Relationship between the resistance in the forward direction of robot and the rotational speed n

    图  15  机器人前进方向所受阻力矩与机器人转速关系图

    Figure  15.  Relationship between the resisting moment in the forward direction of robot and the rotational speed n

    图  16  机器人周围流体平均湍流强度与机器人转速关系

    Figure  16.  Relationship between the average turbulent intensity of fluid around robot and the rotational speed n

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-12-01
  • 修回日期:  2021-01-07
  • 刊出日期:  2021-06-25

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    《实验流体力学》编辑部

    2021年8月13日