梁 亮,唐蒲華,劉 煜

長沙學(xué)院 機電工程學(xué)院,長沙 410022

0 引 言

無創(chuàng)診療技術(shù)是人類醫(yī)學(xué)發(fā)展的方向,隨著消化道遙控膠囊內(nèi)鏡的成功研制,膠囊機器人已成為人類醫(yī)療領(lǐng)域胃腸道應(yīng)用的熱點[1]。目前,研究的膠囊機器人按結(jié)構(gòu)可分為光滑膠囊機器人[2]、螺旋膠囊機器人[3-4]和腿式膠囊機器人[5]等。其中,光滑結(jié)構(gòu)是實際臨床應(yīng)用中的一種常用結(jié)構(gòu)。由于采用電池、電線存在諸多問題,而磁場具有各種優(yōu)勢,因此膠囊機器人的驅(qū)動方式主要采用外磁場驅(qū)動。永磁體法是指利用外部永磁體的運動來驅(qū)動內(nèi)部含磁鐵的膠囊機器人作相應(yīng)運動[6-7]。永磁體法控制原理簡單、操作方便、易于商業(yè)化,其難點在于控制外部永磁體以實現(xiàn)對膠囊機器人作用力的平衡。

膠囊機器人對腸道的損傷主要來源于與腸道之間的接觸摩擦和運行時黏液對腸道的壓力。Zhang等[8]測量了膠囊機器人在離體豬腸內(nèi)運動時的摩擦阻力。Li等[9]在膠囊機器人光滑表面上設(shè)計了一種壓力傳感器,用于測量膠囊機器人移動時與管道內(nèi)壁的接觸壓力,并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無線接收。膠囊機器人在腸道中運行時所受到的流體壓力和阻力等參數(shù)的測量比較困難,目前還未見報道。

計算流體動力學(xué)(CFD)是一種流體流場的數(shù)值計算方法,廣泛應(yīng)用于計算流體機械的速度和力[10-11]。粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)技術(shù)是一種瞬態(tài)、多點、無接觸式的流體測速方法。PIV技術(shù)除向流場散布示蹤粒子外,所有測量裝置并不介入流場。PIV技術(shù)廣泛應(yīng)用于運動流體的速度場測量[12-13]。

本文將CFD方法和PIV技術(shù)應(yīng)用于永磁體驅(qū)動的膠囊機器人中,研究膠囊機器人以不同轉(zhuǎn)速在充滿黏液的管道內(nèi)旋進時,周圍流體流場以及膠囊機器人所受到的黏液阻力、阻力矩和周圍流體湍流強度等性能參數(shù)的變化情況,揭示運行參數(shù)對膠囊機器人運行性能影響的規(guī)律,為磁控膠囊機器人運行時的流場優(yōu)化和最優(yōu)運行方式設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

1 膠囊機器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理

根據(jù)永磁體法,設(shè)計了一種磁控膠囊機器人,能在充滿黏液的管道內(nèi)做旋進(旋轉(zhuǎn)和平移)運行。如圖1所示,體外驅(qū)動永磁體形狀為空心圓環(huán),徑向充磁,上半圓環(huán)是S極,下半圓環(huán)是N極。膠囊機器人內(nèi)置一個實心圓柱磁鐵,徑向充磁,磁鐵上半圓柱是S極,下半圓柱是N極。由于膠囊內(nèi)窺鏡在檢查人體腸道過程中,時常與腸道壁接觸,可通過控制外部永磁體和膠囊機器人之間的距離,使膠囊機器人貼近管道上壁并處于平衡狀態(tài)。

圖1 膠囊機器人結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of structure and driving principle of capsule robot

開始時,外部永磁體位于膠囊機器人正上方(即y軸上方),膠囊機器人在磁力、重力、黏液浮力和管壁接觸力作用下,達到平衡。啟動外部永磁體繞自身中心軸(q軸,即x軸)旋轉(zhuǎn),內(nèi)置磁鐵的膠囊機器人也相應(yīng)地隨之繞自身x軸旋轉(zhuǎn),兩者轉(zhuǎn)速相同,方向相反。當(dāng)外部永磁體沿著x軸正向直線運動時,外部永磁體對膠囊機器人的吸力F可分解為兩個分量,一個分量沿著x軸正方向,驅(qū)動膠囊機器人沿著x軸做跟隨等速直線運動,一個分量沿著y軸正方向,迫使膠囊機器人貼近管道上壁。膠囊機器人與管道上壁之間的接觸力大小可以通過外部永磁體與膠囊機器人之間的距離來調(diào)節(jié)。

2 管道內(nèi)流體的動力學(xué)控制方程

當(dāng)膠囊機器人在充滿流體的管道內(nèi)運行時,管道內(nèi)流體將會對膠囊機器人產(chǎn)生作用力,其大小可以通過計算與膠囊機器人鄰近的管內(nèi)流體流場來獲得。假設(shè)管道內(nèi)流體不受溫度影響、不可壓縮、滿足質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程。

式 中:ρ為流體密度;(i、j、k分別為x、y、z軸的單位矢量);ux、uy、uz為流體速度矢量u在x、y、z方向的分量;p為流體 壓力;τxx、τxy、τxz、τyx、τyy、τyz、τzx、τzy、τzz為因分子黏性作用而產(chǎn)生的黏性應(yīng)力τ的分量;Fx、Fy、Fz為體積力,若體積力只有重力,且沿y軸豎直向下,則Fx＝0,Fy＝－ρg,Fz＝0。

式(1)和(2)為黏性流體動力學(xué)的控制方程[14],是流體流場數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型。要得到上述偏微分方程的解析解比較困難,可采用CFD數(shù)值計算方法,求解滿足實際要求的近似解。求解的步驟大致為:運用Pro/E軟件建立膠囊機器人系統(tǒng)的三維模型;運用Gambit軟件劃分網(wǎng)格并設(shè)置邊界條件;運用ANSYS-Fluent軟件求解參數(shù)并分析結(jié)果。

3 數(shù)值計算方法

3.1 膠囊機器人系統(tǒng)三維建模

運用Pro/E設(shè)計軟件建立膠囊機器人系統(tǒng)的三維模型。機器人系統(tǒng)包括膠囊機器人、圓管和流體。膠囊機器人外徑為10 mm,長度為18 mm,兩端均為半球狀帽,中間段為光滑圓柱。根據(jù)人體小腸直徑范圍,工作管道設(shè)計為管徑18 mm,長度300 mm。管內(nèi)充滿密度800 kg/m3,動力黏度0．1 Pa·s的硅油流體,其性質(zhì)接近于膠囊內(nèi)鏡檢查時的腸道液。因為當(dāng)消化道膠囊內(nèi)鏡實際應(yīng)用到人體時,為了縮短膠囊內(nèi)鏡通過消化道的時間,提高膠囊內(nèi)鏡檢查圖像的清晰度,需要在檢查人體小腸前,服用二甲硅油散和純凈水,類似于二甲硅油,這樣能夠有效去除小腸腸道內(nèi)的氣泡,起到理想的腸道清潔效果[15]。

為了模擬膠囊機器人周圍流體的旋轉(zhuǎn),在膠囊機器人表面設(shè)計了一層包裹的流體(用于網(wǎng)格加密)。包裹流體的形狀和膠囊機器人外形相同,厚度為0．5 mm,與圓管上壁面距離也為0．5 mm。即膠囊機器人外殼與管道上壁之間間隙為1．0 mm,它們相互靠近,但并不接觸,以滿足數(shù)值計算的需要。

3.2 膠囊機器人系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

對于充滿在管道內(nèi)的流體,設(shè)置兩個流體區(qū)域,即機器人表面包裹的膠囊狀流體區(qū)域和剩余流體區(qū)域。考慮到兩個流體區(qū)域的幾何形狀,網(wǎng)格選擇非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格,并對機器人表面包裹的膠囊狀流體區(qū)域進行網(wǎng)格加密。膠囊狀流體區(qū)域網(wǎng)格的間隔尺寸設(shè)置為0．5,剩余流體區(qū)域網(wǎng)格的間隔尺寸設(shè)置為1．3。

經(jīng)過驗證計算,在網(wǎng)格質(zhì)量滿足計算要求前提下,網(wǎng)格數(shù)達到20萬時,滿足網(wǎng)格無關(guān)性;當(dāng)時間步長為0．0005 s時,滿足時間獨立性。最終,確定機器人表面包裹的膠囊狀流體區(qū)域和剩余流體區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)分別為17 300和234 464,時間步長確定為0．0005 s。膠囊機器人系統(tǒng)網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 膠囊機器人系統(tǒng)網(wǎng)格圖Fig.2 Divided mesh of capsule robot system

3.3 模型選擇和參數(shù)設(shè)置

當(dāng)膠囊機器人在充滿黏液的管道內(nèi)旋進運行時,機器人周圍流體除了沿管道軸向流動,還有切向運動,因此管道內(nèi)流體狀態(tài)為湍流,采用標(biāo)準k-ε湍流模型,近壁處流動采用標(biāo)準壁面函數(shù)處理。

根據(jù)實際情況,數(shù)值計算中機器人平移速度v固定為0．04 m/s,機器人轉(zhuǎn)速n分為60、90、120、150和180 r/min。研究中,考慮流體重力,方向為y軸負方向;但不考慮機器人重力,因為實驗時機器人處于平衡狀態(tài)。對于流體流場壓力和速度耦合方程的求解采用標(biāo)準的SIMPLE算法,壓力、動量、湍動能和耗散率的差分格式均為二階迎風(fēng)格式。為了模擬機器人表面鄰近區(qū)域流體的運動,采用滑移網(wǎng)格方法進行處理,給定機器人表面鄰近區(qū)域流體轉(zhuǎn)速等于機器人轉(zhuǎn)速。

根據(jù)腸道特點,管道兩端設(shè)置為壁面,且不考慮流體的流動。初始條件設(shè)置為全部區(qū)域初始值為零。整個數(shù)值計算采用非穩(wěn)態(tài)計算,并且使用動網(wǎng)格技術(shù),假定機器人沿著x軸正方向在管道內(nèi)作旋轉(zhuǎn)直線運動。解算收斂精度滿足:連續(xù)性,x、y、z方向速度,k,ε均為0．001。

4 實驗測量方法

PIV測量方法是最直接的流體速度測量方法。從t1到t2的時間間隔(Δt)內(nèi),激光照射面上某一示蹤粒子在該平面上運動的速度可以表示為:

式中,v為速度,t為時間,x、y為位移。

當(dāng)時間間隔Δt無限小時,式(3)為該示蹤粒子在t1時刻的速度,即為t1時刻示蹤粒子所在點的流體速度,再通過計算機逐點處理可獲得t1時刻測試平面流體的速度場。

如圖3所示,當(dāng)膠囊機器人運行時,管內(nèi)流場PIV測量原理為:通過計算機控制CCD(Charge Coupled Device)相機和同步器,同步器控制激光發(fā)生器產(chǎn)生脈沖激光,經(jīng)導(dǎo)光臂引導(dǎo)至片光源鏡頭,片光源鏡頭垂直向上,通過水槽和水照射至玻璃管內(nèi)待測區(qū)域(膠囊機器人運行區(qū)域的xoy截面),其中片光源厚度小于1 mm。CCD相機鏡頭和片光源鏡頭相互垂直,CCD相機與脈沖激光同步曝光拍攝示蹤粒子圖像,短時間拍攝多張圖像,從而得出粒子(即流體)在流場中各點的速度矢量。

圖3中,將膠囊機器人運行的玻璃圓管放入方形水槽的原因是:當(dāng)片光源發(fā)射的片狀激光直接照射在膠囊機器人運行的玻璃管表面時,由于空氣和玻璃的密度相差較大,玻璃管表面又是圓弧形的,片狀激光將會產(chǎn)生折射現(xiàn)象,不能在玻璃管內(nèi)形成相同的片狀照射面,并且示蹤粒子的亮度也將降低,影響成像效果,導(dǎo)致PIV測量誤差較大。為了避免或減少上述現(xiàn)象,將玻璃圓管放入方形玻璃水槽中,水槽內(nèi)注入一定量的水,并完全淹沒玻璃管。這時,片狀激光首先垂直照射在方形玻璃水槽底部,不會發(fā)生折射,繼續(xù)射入水槽后,由于水槽內(nèi)水和圓管玻璃的密度相差不大,激光射入玻璃圓管內(nèi)基本不會產(chǎn)生折射,從而在管道內(nèi)部形成所需的片狀激光區(qū)域,即膠囊機器人運行區(qū)域(xoy截面)。CCD相機光軸與片光源平面保持垂直是為了降低示蹤粒子在CCD相機中的成像位移偏差。

圖3 管內(nèi)流場PIV測量原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of PIV measurement principle of fluid flow field in pipe

本文設(shè)計制造了膠囊機器人,并搭建了管內(nèi)流場PIV測量系統(tǒng),如圖4所示。該系統(tǒng)包括膠囊機器人磁驅(qū)動模塊和PIV測量模塊。膠囊機器人磁驅(qū)動模塊主要包括三軸運動平臺、旋轉(zhuǎn)電機、控制器、數(shù)據(jù)采集卡、外部永磁體、磁性膠囊機器人(外徑10 mm,長度18 mm)、試驗管道(內(nèi)徑18 mm,長度300 mm)、上位機、工作臺等。外部永磁體通過三軸運動平臺和旋轉(zhuǎn)電機,可以實現(xiàn)x,y,z等3個方向的平動以及繞y軸和自身中心軸(q軸,即x軸)的轉(zhuǎn)動。PIV測量模塊主要包括PIV系統(tǒng)、工作臺架、玻璃水槽、水槽支架、墊片、壓塊等。PIV系統(tǒng)采用德國La Vision公司的粒子圖像測速系統(tǒng),主要包括:示蹤粒子、光學(xué)照明系統(tǒng)、圖像采集和處理系統(tǒng)。示蹤粒子為Lavision公司提供的空心玻璃微珠,粒徑8～12μm。激光器單脈沖能量為100 mJ,CCD相機分辨率為2048 pixel×2048 pixel,像素物理大小為7．4μm×7．4μm,兩幀圖像間隔時間設(shè)置為5 ms,經(jīng)Da Vis軟件處理后可顯示管道內(nèi)流體流場。

圖4 膠囊機器人管內(nèi)流場PIV測量實驗系統(tǒng)Fig.4 PIV experimental system for measuring fluid flow field in pipe with capsule robot

圖5是膠囊機器人樣機,膠囊機器人采用3D打印而成,材料為生物塑料,表面選用黑色。

圖5 膠囊機器人樣機Fig.5 Capsule robot prototype

實驗測量時,設(shè)置外部永磁體平移速度v為0.04 m/s,轉(zhuǎn)速n＝150 r/min,膠囊機器人跟隨外部永磁體在充滿無色201甲基硅油的管道內(nèi)做同速度的旋進運動。

5 結(jié)果與分析

渦量是流速的旋度,為流體旋轉(zhuǎn)角速度的2倍,反映流場中各處流體微團繞其中心旋轉(zhuǎn)的快慢。渦量是矢量,其方向由右手法則判定:右手握拳,四指為流體旋轉(zhuǎn)方向,大拇指指向渦量方向[16]。

式中,Ω為渦量;u為流體線速度;ω為旋轉(zhuǎn)角速度;i,j,k分別為笛卡爾直角坐標(biāo)系中x,y,z軸的單位矢量;Ωx,Ωy,Ωz分別為Ω在x,y,z軸方向上的分量;ux,uy,uz分別為u在x,y,z軸方向上的分量。

如圖6所示,以膠囊機器人中心豎直向下對應(yīng)的管道底部位置為坐標(biāo)原點,建立用于結(jié)果分析的二維直角坐標(biāo)系,x軸正方向為水平向右,y正方向為豎直向上。

圖6 管道內(nèi)流體參考坐標(biāo)系Fig.6 Reference coordinate system of fluid in the pipe

5.1 數(shù)值計算與實驗測量比較

由于片光源放置在膠囊機器人中心正下方,片狀激光沿著穿過膠囊機器人中心的xoy截面,從下往上照射,因此膠囊機器人與管道上壁面之間區(qū)域成為背光區(qū)域,實驗測得此區(qū)域流場實際是片激光照射到膠囊機器人底面產(chǎn)生的折射光照射到管內(nèi)膠囊機器人前方流體時所拍攝出的流場。而在數(shù)值計算中,依據(jù)標(biāo)準壁面函數(shù),當(dāng)膠囊機器人以平移速度v＝0．04 m/s,轉(zhuǎn)速n＝150 r/min旋進運行時,計算得到此區(qū)域流體在x方向速度如圖7所示。從管道上壁面到機器人表面的流體速度規(guī)律為:從0 m/s增加到機器人x方向平移速度0．04 m/s。

圖7 膠囊機器人與管道上壁面區(qū)域流體x方向速度(n＝150 r/min)Fig.7 x-directional velocity of fluid between capsule robot and upper wall of pipe(n＝150 r/min)

圖8和圖9分別是膠囊機器人以平移速度v＝0.04 m/s,轉(zhuǎn)速n＝150 r/min旋進運行時,管內(nèi)穿過膠囊機器人中心的xoy截面流體速度流線疊加和渦量圖?？梢钥闯?數(shù)值計算的膠囊機器人周圍流體流線的形狀和分布以及流體速度大小都與實驗測量結(jié)果基本相同,并且在膠囊機器人底部形成了一個較大尺寸的流體旋渦。數(shù)值計算的膠囊機器人周圍流體渦量分布規(guī)律和大小也與實驗測量結(jié)果基本相似。

圖8 膠囊機器人周圍流體的流線和速度云圖疊加Fig.8 Superimposition of the streamlines and velocity clouds of the fluid around capsule robot

圖9 膠囊機器人周圍流體的渦量Fig.9 Vorticity of the fluid around capsule robot

圖10是以圖6所示坐標(biāo)系中膠囊機器人下方區(qū)域流體繞z軸渦量的CFD數(shù)值計算和PIV實驗測量結(jié)果的對比圖。從圖中可以看出,從管道底部往膠囊機器人底部方向,流體繞z軸渦量是從正值到負值,逐漸遞減。CFD數(shù)值計算結(jié)果與PIV實驗測量結(jié)果的變化趨勢和數(shù)值大小基本吻合,進一步證明本文所采用的CFD方法是合理和正確的。

圖10 膠囊機器人下部區(qū)域流體繞z軸渦量數(shù)值計算和實驗測量的對比(v＝0.04 m/s,n＝150 r/min)Fig.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)

5.2 轉(zhuǎn)速影響研究

圖11是膠囊機器人平移速度v＝0．04 m/s,轉(zhuǎn)速n＝60～180 r/min時,管內(nèi)穿過膠囊機器人中心的xoy截面流體的速度云圖和流線疊加。

圖11 數(shù)值計算的不同機器人轉(zhuǎn)速下管內(nèi)流體速度云圖和流線疊加Fig.11 Fluid velocity nephogram and streamline superposition in the pipe at different rotational speeds of robot by numerical calculation

結(jié)合圖8(a)可以看出,當(dāng)膠囊機器人貼近管道沿著x軸方向向右旋進運行時,膠囊機器人周圍流體向尾部作環(huán)流運動,同時在膠囊機器人底部會形成較大尺寸的旋渦。膠囊機器人頭部和尾部區(qū)域流體的速度大小基本等于旋進膠囊機器人的平移速度大小。隨著膠囊機器人轉(zhuǎn)速的增大,膠囊機器人周圍流體的流動和分布規(guī)律基本相似,膠囊機器人四周和下部區(qū)域流體速度會略微增大,流體流線略微混亂。從流體速度和流線的疊加圖中能夠看到一定的流體渦結(jié)構(gòu),但較小尺寸的旋渦分布較為混亂,難以辨別和量化,因此進一步采用渦量圖進行分析。

圖12和13分別是膠囊機器人平移速度v＝0．04 m/s,轉(zhuǎn)速n＝60～180 r/min時,穿過膠囊機器人中心的xoy截面流體的渦量分布圖和渦量最大負值。圖中紅色和黃色區(qū)域,渦量為正值,表示流體繞z軸逆時針旋轉(zhuǎn)。藍色和藍綠色區(qū)域,渦量為負值,表示流體繞z軸順時針旋轉(zhuǎn)。顏色越深,表示渦量強度越大。

圖12 數(shù)值計算的不同機器人轉(zhuǎn)速下管內(nèi)流體渦量Fig.12 Fluid vorticity in the pipe at different rotational speeds of robot by numerical calculation

圖13 數(shù)值計算的不同轉(zhuǎn)速下機器人下方流體繞z軸渦量最大負值Fig.13 Maximum negative vorticity of fluid under the robot around z-axis at different rotational speeds of robot by numerical calculation

結(jié)合圖9(a)可以看出,膠囊機器人底部大部分鄰近區(qū)域流體渦量為負值,而靠近管道底部區(qū)域流體渦量為正值。隨著膠囊機器人轉(zhuǎn)速的增大,膠囊機器人周圍流體的渦量分布規(guī)律相似,渦量大小略微增大,說明流體旋轉(zhuǎn)強度略微增大,流體混亂程度略微增加,膠囊機器人運行的平穩(wěn)度略微降低。在膠囊機器人底部與管道底部之間的中段,存在一條渦量為零的帶狀區(qū)域,分別向膠囊機器人的頭部和尾部延伸。湍流強度是描述流體湍流運動最重要的特征量,是衡量湍流強弱的相對指標(biāo)。湍流強度越大,流體相對運動越紊亂,機器人運行時所受阻力相對越大,能耗越高。

式中:I為膠囊機器人周圍流體平均湍流強度;v′為脈動速度均方根;v－為平均速度;N為一段時間內(nèi)采樣點數(shù)。

膠囊機器人性能參數(shù)主要包括膠囊機器人所受阻力、阻力矩和周圍流體平均湍流強度等。圖14～16是膠囊機器人平移速度v＝0．04 m/s,轉(zhuǎn)速n＝60～180 r/min時,膠囊機器人前進方向(x軸)所受阻力、阻力矩與其周圍流體平均湍流強度的大小值。

圖14 機器人前進方向所受阻力與機器人轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.14 Relationship between the resistance in the forward direction of robot and the rotational speed n

圖15 機器人前進方向所受阻力矩與機器人轉(zhuǎn)速關(guān)系圖Fig.15 Relationship between the resisting moment in the forward direction of robot and the rotational speed n

圖16 機器人周圍流體平均湍流強度與機器人轉(zhuǎn)速關(guān)系Fig.16 Relationship between the average turbulent intensity of fluid around robot and the rotational speed n

隨著膠囊機器人轉(zhuǎn)速的增大,膠囊機器人前進方向所受阻力矩和其周圍流體平均湍流強度均增大,而膠囊機器人前進方向所受阻力基本不變。這說明,膠囊機器人轉(zhuǎn)速的增加會增大機器人工作的阻力矩,增強機器人周圍流體脈動強度,導(dǎo)致機器人運行的平穩(wěn)性降低,能耗增加,但并不會增大機器人運行時所受阻力。進一步計算表明,膠囊機器人運行所受阻力與平移速度成正比。

6 結(jié) 論

1)設(shè)計制造了一套永磁體法驅(qū)動的膠囊機器人,并搭建了管內(nèi)流場實驗測量系統(tǒng)。采用CFD方法分析了隨著膠囊機器人轉(zhuǎn)速的變化,管內(nèi)流場的流線、速度、渦量等流場信息以及膠囊機器人所受到的黏液阻力、阻力矩和周圍流體湍流強度等性能參數(shù)的變化情況。

2)采用PIV實驗系統(tǒng)測量的膠囊機器人周圍流體流線的形狀、分布、流體速度大小、渦量分布規(guī)律和大小都與數(shù)值計算結(jié)果吻合較好。定量研究表明,膠囊機器人下部區(qū)域流體z方向渦量的CFD數(shù)值計算結(jié)果與PIV實驗測量結(jié)果的變化趨勢完全相同,大小接近,證明本文所采用的CFD方法是合理和正確的。

3)數(shù)值計算表明,隨著膠囊機器人轉(zhuǎn)速的增大,膠囊機器人周圍流體的流動和分布規(guī)律基本相似,膠囊機器人四周和下部區(qū)域流體速度會略微增大,流體流線略微混亂;并且膠囊機器人周圍流體的渦量分布規(guī)律也相似,渦量大小也略微增大,說明流體旋轉(zhuǎn)強度略微增大,流體混亂程度略微增加,膠囊機器人運行的平穩(wěn)度略微降低。隨著膠囊機器人轉(zhuǎn)速的增大,膠囊機器人前進方向所受阻力矩和其周圍流體平均湍流強度均增大,即機器人運行的平穩(wěn)性降低,能耗增加;但膠囊機器人前進方向所受阻力基本不變,膠囊機器人運行時所受阻力與平移速度成正比。

4)本文所采用的CFD方法和PIV技術(shù)可以適用于較小尺寸的膠囊機器人在液體環(huán)境中的流場和力學(xué)計算與測量。