乌贼喷射过程的数值模拟

原油发电机排烟喷射装置的数值模拟与应用
叶作霖;欧宇钧;蒋健;朱沫;林海英;张建飞
【期刊名称】《船海工程》
【年(卷),期】2022(51)2
【摘要】为了解在排烟管尾部安装排烟喷射装置后,海洋平台原油发电机产生的烟气的排放情况,对排烟喷射装置的喷射效果进行数值模拟,对比分析在无风和侧风6级情况下不同设计方案的喷射效果,计算结果表明:在管道压力可承受的范围内,适当缩小排烟管道内径,可获得更好的排烟喷射效果,考虑到海上安装情况及主机背压要求,选择适当管道内径的装置,也能达到设计和使用要求。

【总页数】5页(P122-126)
【作者】叶作霖;欧宇钧;蒋健;朱沫;林海英;张建飞
【作者单位】中海油能源发展装备技术有限公司深圳分公司;中海石油(中国)有限公司深圳分公司;北京航空航天大学
【正文语种】中文
【中图分类】U664
【相关文献】
1.SCR装置流场数值模拟与冷模试验对比分析
2.喷射引流式套管气回收装置的数值模拟与结构优化
3.“船舶水动力节能装置数值模拟与应用研究”项目通过验收评审
4.利用喷射器回收原油挥发气的装置及其应用实例
5.原油发电机排烟喷射装置研制与应用
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油雾喷射碰壁过程中油膜形成的数值模拟分析张志伟;王长周;宋锦春;陈建文【摘要】利用FLUENT仿真软件对油雾喷射碰壁过程中油膜的形成进行数值模拟;模拟条件如下:喷射速度υ分别为30,80,100和120m/s;油雾颗粒粒径d分别为3,5,7和10μm;喷雾距离D为50和65mm.在上述条件下得到油膜厚度等高图,从而得出喷射速度、油雾颗粒粒径、喷雾距离对油膜厚度和油膜比率的影响.模拟结果表明:喷雾距离增加时油膜厚度和油膜比率都减少;在喷雾距离为50mm时,速度为80 m/s的油膜厚度和油膜比率比较理想;同样条件下,油雾颗粒粒径在5μm左右时,油膜厚度和油膜比率较大.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(032)002【总页数】3页(P285-287)【关键词】油膜;油雾润滑;凝缩嘴;喷射速度;喷雾距离;油膜厚度;油膜比率【作者】张志伟;王长周;宋锦春;陈建文【作者单位】东北大学,机械工程与自动化学院,辽宁,沈阳,110819;东北大学,机械工程与自动化学院,辽宁,沈阳,110819;东北大学,机械工程与自动化学院,辽宁,沈阳,110819;东北大学,机械工程与自动化学院,辽宁,沈阳,110819【正文语种】中文【中图分类】TH117.2在油雾润滑系统中,从凝缩嘴喷出的油雾颗粒到达润滑点后,会有一部分油雾飞溅而不能在润滑点形成油膜,这样既浪费能源又影响润滑效果·液滴撞击固体壁面时,液滴所拥有的动能大小对液滴碰壁后的运动状态有很重要的作用,此外液滴直径、撞击速度、壁面形状、表面粗糙度、喷雾距离、表面张力和黏度等对碰壁结果也有一定的影响[1-2]·本文主要讨论喷雾速度、油雾颗粒粒径、喷雾距离对壁面形成油膜的影响·数值模拟的数学模型详见文献[3-4]·1 数值模拟模拟油雾润滑系统中的喷雾碰壁采用FLUENT提供的离散相模型(DPM),离散相模型属于欧拉-拉格朗日型模型[5]·将空气看做连续相,通过求解时均N-S方程得到,而离散相的求解则是通过跟踪已经求解过的连续相中的大量具有代表性的液滴得到·离散相提供的模型有喷雾模型、碰撞聚合与破碎模型、动态曳力模型和壁面油膜模型等·1.1 速度对成膜的影响当液滴以一定速度撞击壁面时,液滴受到挤压,与壁面的接触面积增大,液滴内部形成极高压力:首先在液滴与壁面接触面上产生压缩激波,然后激波逐渐向液滴内部传播,激波后接触面附近原来被压缩的液体膨胀,沿壁面迅速向外扩展[6]·当液滴撞击动能更大时,扩展液膜继续在收缩与扩展之间波动,导致液膜破碎,一部分液体从波峰被甩出形成飞溅小液滴,其余液体逐渐达到平衡状态形成贴壁油膜[7-8]·计算条件:喷雾距离为50 mm,粒径服从RR分布,喷射源平均油雾颗粒粒径为3 μ m,垂直喷雾,喷射速度分别为v=30,80,100,120 m/s·油膜厚度等高图如图1所示;油膜厚度与油膜比率见表1·图1 不同喷雾速度油膜厚度等高图Fig.1 Contour maps of film thickness at different spray speeds(a)—v=30 m/s;(b)—v=80 m/s;(c)—v=100 m/s;(d)—v=120 m/s·表1 不同速度油膜厚度和油膜比率Table 1 Film thicknessand the film forming ratio at different speeds速度/(m·s-1) 30 80 100 120油膜比率/% 57.3 71.5 71.6 58.8油膜厚度/μ m 7.26 9.55 6.89 5.12可以看出,喷雾速度为80 m/s时的油膜厚度和油膜比率比较大,而且油膜分布比较均匀·1.2 粒径对成膜的影响计算条件:喷雾距离50 mm,垂直喷雾,喷射速度80 m/s,油雾颗粒粒径 d=3,5,7,10 μ m·油雾粒径对成膜的影响见图2和表2·图2 不同油雾粒径油膜厚度等高图Fig.2 Contour maps of film thickness with different oil drop sizes(a)—d=3μ m;(b)—d=5μ m;(c)—d=7μ m;(d)—d=10μ m·表2 不同粒径的油膜厚度和油膜比率Table 2 Film thicknessand film forming ratio with different oil drop sizes粒径/μ m 3 5 7 10油膜比率/% 70.1 81.5 71.6 22.4油膜厚度/μ m 11.3 11.6 10.9 1.62由图2和表 2可以看出,油雾颗粒粒径在5μ m左右时的油膜厚度和油膜比率较大·1.3 喷雾距离对成膜的影响在实际油雾润滑系统中,由于受设备结构形式的限制,从凝缩嘴到润滑点的距离(喷雾距离)不能过小·当喷雾距离为65 mm,速度分别为80,100和120m/s时油膜厚度等高图如图3所示·当喷雾距离分别为 D=50和65 mm时,速度与油膜厚度和油膜比率的关系如图4和图5所示·图3 喷雾距离为65 mm时油膜厚度等高图Fig.3 Contour maps of film thickness when spraying distance is65 mm(a)—v=80 m/s;(b)—v=100m/s;(c)—v=120 m/s·图4 油膜厚度-喷雾速度曲线图Fig.4 Film thickness vs.spray speed图5 油膜比率-喷雾速度曲线图Fig.5 Film forming ratio vs.spray speed由图4和图5可以看出,喷雾距离增加后,油膜厚度和油膜比率减少很多,而且提高喷雾速度对油膜的形成影响不大;为此考虑增大粒径来改善油膜的质量·表3为不同粒径的最大油膜厚度和油膜比率·表3 喷雾距离为65mm时不同粒径的油膜厚度和油膜比率Table 3 Film thicknessand film formin g ratio withdifferent oil drop sizes when sprayin g distance is65 mm粒径/μ m 3 5 7 10油膜比率/% 59.1 66.8 68.2 38.1油膜厚度/μ m 6.01 7.63 9.83 5.11从表3可以看出,增加喷雾距离,油雾颗粒直径在7μ m时,油膜厚度和比率都较大;因此,增大粒径的方法可以使油膜厚度和油膜比率有明显的增加·2 结论1)在喷雾距离50mm,油雾喷射速度80m/s左右时,油膜厚度和油膜比率比较理想·在同样的喷雾距离下,油雾喷射速度设定为80 m/s,当油雾颗粒直径为5μ m时,油膜较厚,且分布较均匀,油膜比率较高·2)增大粒径可以使油膜厚度和油膜比率增加·参考文献:[1] 王中伟,傅茂林·液雾碰壁对环形喷嘴雾化质量的影响[J]·燃烧科学与技术,1998,4(2):177-181·(Wang Zhong-wei,Fu Mao-lin.Influence of spray impinging upon wall on atomization quality[J].Journal of Combustion Science and Technology,1998,4(2):177-181.)[2] EstradeJP,CarentzH,LavergneG.Experimental investigation of dynamic binary collision of ethanol droplets—a model for droplet coalescence andbouncing[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,1999,20(5):486-491.[3] 文华·基于CFD的柴油机喷雾混合过程的多维数值模拟[D]·武汉:华中科技大学,2004·(Wen Hua.M ulti-dimensional numerical modeling of spray mixing process in diesel engines based on CFD[D].Wuhan:Huazhong University of Science and Technology,2004.)[4] 廖春明·柴油机喷雾场可视化研究及数值模拟[D]·大连:大连理工大学,2006·(Liao Chun-ming.Visible research on diesel spray field and numerical simulation[D].Dalian:Dalian Universityof Technology,2006.)[5] 杨延平·电喷汽油机冷启动附壁油膜研究[D]·上海:上海交通大学,2008·(Yang Yan-ping.Research on the wetted fuel film in electrical controlled injection gasoline engine during cold starting[D].Shanghai:Shanghai Jiaotong University,2008.)[6] Ashgriz N,Poo J Y.Coalescence and separation binary collisions of liquid drips[J].Journal of Fluid Mechanics,1990,221:183-204.[7] Brazier-Smith P R,Jennings S G,Latham J.The interaction of falling rain drops:coalescence[J].Proceedings of the Royal Society ofLondon,1972,326:393-408.[8] Chesters A K.The modeling of coalescence processes in fluid liquid dispersions—a review of current understanding[J].Transactions on IchemE,1991,69:259-270.。

鱼类波状摆动推进的数值模拟
鱼类波状摆动推进是一种推进技术，它利用鱼类的波状摆动来推动船只前进。

它的原理是，当船只沿着水面前进时，它会产生一系列的波状摆动，这些波状摆动会产生一种推动力，使船只前进。

要进行鱼类波状摆动推进的数值模拟，首先需要建立一个模型，模拟船只的波状摆动。

这个模型可以使用多种方法来建立，比如使用流体力学方法，使用有限元方法，或者使用经典的潮流方程。

接下来，需要计算船只的推进力。

这可以通过计算船只的波状摆动产生的力来实现。

这些力可以通过计算船只的波状摆动产生的水动力来计算，也可以通过计算船只的波状摆动产生的抗力来计算。

最后，需要计算船只的推进效率。

这可以通过计算船只的推进力与船只的总重量之比来实现。

通过上述步骤，可以完成鱼类波状摆动推进的数值模拟。

第21卷第4期 2017年4月船舶力学Journal of Ship MechanicsVol.21No.4Apr. 2017文章编号院1007-7294(2017)04-0407-06浸没式喷水推进自航试验及数值模拟易文彬，王永生，刘承江，彭云龙(海军工程大学动力工程学院，武汉430033)摘要:浸没式喷水推进器与船体髙度融合，难以通过试验的方法测量推进器各部件受力，因此文中采用船模水池 试验和数值模拟相结合的方法来分析浸没式喷水推进的水动力特点。

该文首先开展了船模拖曳阻力试验，测量 了船模阻力、纵倾角及重心升沉。

然后开展船模自航试验，测量了船模纵倾角、升沉及轴的转速、力矩、推力等数 据。

基于C F X软件，对拖曳阻力试验及船模自航试验进行了数值模拟。

在四个不同航速下的数值模拟中，阻力计 算误差在3.7%以内，轴推力计算误差在2.7%以内，轴力矩计算误差在4.6%以内，试验测量值和C F D预报值吻 合较好。

通过数值模拟可以进一步得到浸没式喷水推进器上各部件的受力情况，栗的流量、扬程及其它流场信 息，克服了浸没式喷水推进器推力测量和流场测量的困难。

关键词：CFD;自航试验；浸没式；喷水推进中图分类号：U661.3 文献标识码：A doi: 10.3969/j.issn.1007-7294.2017.04.004Submerged waterjet self-propulsion test andnumerical simulationYI Wen-bin,WANG Yong-sheng,LIU Cheng-jiang,PENG Yun-long(College of Marine Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)A b stra ct：Because the submerged waterjet propulsor is fully integrated in the ship,the force on propulsor is hard to measure in towing tank test.In this paper,towing tank test method and numerical simulation method were combined to predict the performance of submerged waterjet.The resistance,trim angle and sinkage of ship model were measured in towed resistance test.And the self-propulsion test was conducted and the rotation speed,torque and thrust of shaft,etc.were measured.The towed resistance test and self­propulsion test were numerically simulated based on CFX software.The predicted resistance error was within 3.7%, the shaft thrust error was within 4.7% and the shaft torque error was within 4.6% at four different speeds.Proved by towing tank test,numerical simulation could get the thrust of submerged waterjet propul­sor,massflow,head and other flow field information in addition,solving the difficulties in measuring thrust and flow field.Key w ords:CFD;self-propulsion test;submerged;waterjet0引言喷水推进以其推进效率高、抗空化性能好、水下辐射噪声低、操纵性好和船外无附体适合浅水航 行等优点，已成为国外高速高性能舰船首选的推进方式[1-2]。

表面技术第52卷第8期喷丸数值模拟中一种高效方法陈晟1，丁腾飞1，张朝阳2，高建永2，付婧颐1，鲁世红1（1.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；2.山东开泰抛丸机械股份有限公司，山东 滨州 256217）摘要：目的从减小分析步时间的角度出发，调整弹丸随机分布间距，研究提高模拟计算效率的方法。

方法以SAE1070弹簧钢为研究对象，在S230弹丸速度为40 m/s条件下，分析弹丸间垂直间距、水平间距和弹丸冲击方式对模拟结果的影响。

结果在不考虑弹丸间相互作用的前提下，有限元模拟中弹丸间可存在重叠，只要弹丸垂直间距大于0.07 mm，水平间距大于0.4 mm，弹丸随机生成模拟得到的诱导应力分布、塑性应变分布、粗糙度的结果在小偏差范围内收敛，与弹丸间无重叠的模拟结果相近。

在满足弹丸间距阈值的前提下，采用同时冲击和顺序冲击方式得到的诱导应力分布在压应力部分区域存在一定偏差，但应力分布曲线整体较为接近，同时冲击的计算时间缩短了约90%。

在此基础上，确定合适的弹丸分布，在不同弹丸直径、速度下进行阿尔门试片喷丸模拟，通过对比阿尔门强度值论证了模拟方法的有效性。

结论这种按层分布同时冲击，并在满足间距阈值的前提下尽可能减小间距的弹丸设置方法，保证了模拟精度，提高了计算效率，为数值模拟的应用提供了优化计算成本的新思路。

关键词：喷丸；数值模拟；SAE 1070；弹丸间距；诱导应力中图分类号：TG176 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)08-0458-08DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.08.042An Efficient Approach in Numerical Simulation of Shot Peening CHEN Sheng1, DING Teng-fei1, ZHANG Chao-yang2, GAO Jian-yong2, FU Jing-yi1, LU Shi-hong1(1. College of Mechanical & Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016,China; 2. Shandong Kaitai Shot Blasting Machinery Share Co., Ltd., Shandong Binzhou 256217, China)ABSTRACT: Shot peening is a mechanical surface enhancement process widely used in the automotive and aerospace industry.The residual stress, as the main response parameter, plays an important role in improving the fatigue life of components.Compared with the costly and time-consuming experimental measurement, numerical simulation provides great convenience for the research of residual stress state, revealing mechanism and process optimization. Among them, the random multi-shot model can truly reflect the shot peening process, but it often faces the problem of high calculation cost, which limits the application of related technical methods. The shot peening model was established in Abaqus/Explicit in this paper. Therefore, from the perspective of increasing the spatial distribution density of shots to reduce the analysis step time, the distance and distribution收稿日期：2022-08-10；修订日期：2022-11-22Received：2022-08-10；Revised：2022-11-22作者简介：陈晟（1997—），男，硕士研究生。

短时程突触可塑性的简化模型张雪娟;丁少杰;陈建春;何国龙【摘要】给出了一类包含抑制和易化的短时程突触可塑性的简化模型。

分别讨论了突触前发放为周期和Poisson电位脉冲串时，突触后的神经元的抑制和易化机制，并给出了定性分析和数值结果的比较。

进一步发现在相同的突触前发放频率下，随机模型使得突触后神经元发放的易化和抑制的参数范围比周期模型的参数范围大。

%A simplified integrate-and-fire model of short-term synaptic plasticity with depression and facilita-tion was proposed .The phenomena as well as the mechanism of the depression and facilitation of the postsyn -aptic neuron were discussed in the presence of both regular and stochastic presynaptic firings .A qualitative a-nalysis was also involved to confirm the numerical results .It was found that under the same presynaptic firing rate, the stochastic model had a much wider parameter range that induced the firing of postsynaptic neuron than a deterministic model .【期刊名称】《浙江师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】7页(P260-266)【关键词】突触可塑性;IF神经元模型;突触抑制;突触易化【作者】张雪娟;丁少杰;陈建春;何国龙【作者单位】浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004;浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004;浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004;浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004【正文语种】中文【中图分类】O29;Q3320 引言神经系统由大量的神经元构成,神经元之间的信息传递主要由一种称为突触(synapse)的特化细胞连接完成.突触可塑性(synaptic plasticity)被认为是学习与记忆过程的神经基础[1],分为短时程突触可塑性(short-term synaptic plasticity)和长时程突触可塑性(long-term synaptic plasticity).其中,持续10 s以内的突触可塑性变化被认为是短时程的突触可塑性[2-3].在一些突触中,重复刺激突触前神经元,突触后的跨膜电位大小会出现明显的增加,这种现象被称为突触的短时程增强作用(short-term enhancement).如果这种增强作用发生在1 s以内,就称为突触的短时程易化作用(short-term facilitation)[3];如果伴随着突触前持续活动,突触后的跨膜电位大小逐渐减小,就称为短时程抑制作用(short-term depression)[3].易化与抑制的共同作用,对于保证神经系统信息传递的确定性起着不可替代的作用[4-5].合适的神经元模型是构造神经动力学模型的基础.1952年,Hodgkin等[6]通过对枪乌贼的巨轴突的实验,得到了4维的Hodgkin-Huxely神经元模型(简称HH模型);1961年,FitzHugh[7]提出了它的2 维的简化版本;1962年,由Nagumo等[8]提出了等效电路.这个简化模型即为FitzHugh-Nagumo 模型(简称FN模型).事实上,早在1907年,Lapicque[9]就已经提出了一个 1 维的神经元模型,整合-发放模型(Integrate-and-fire模型,简称IF模型).不同类型的神经元模型在研究不同生物学现象时有着不同的应用.比如,HH神经元往往对单个神经元的反应有一个精确的刻画,但数值模拟过程中会增加算法的复杂度;IF神经元相对于真正的生物神经元过于简化,但仍可以反映出神经元的一些本质属性.本文主要研究短时程的突触可塑性,利用一个3维的简化模型揭示大多数突触所具有的抑制和易化机制.本模型由单个突触组成,突触前的发放为一个Poisson脉冲电位串,而突触后的神经元为一个IF模型.利用相关数值模拟与定性分析的方法可以更清楚地认识到,在抑制或易化机制下不同的突触前发放频率(firing rate)对兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potential,简称EPSP)的影响.1 模型考虑如下的一个突触模型:突触前神经元的发放能够引发对突触后神经元的兴奋性输入,使得突触后神经元产生EPSP.突触前神经元在一定的外界刺激下出现发放,发放的过程可以近似为参数为λ的一个Poisson过程,形成一个Poisson脉冲电位串(Poisson spike train)[10-12].这意味着突触前的平均发放频率为λ,并在Poisson 过程的各个起跳时间点处发放.记这些发放的时间点为τ1,τ2,….突触递质的量子式释放是以囊泡为单位,并且每次释放的囊泡个数具有随机性[1,13].在此忽略这种随机性,也不考虑各个突触的变异性,设在t时刻突触前神经元为下一次释放而准备的囊泡数为n(t),囊泡释放的概率为u(t)(0≤u(t)≤1)[13-15].当突触前神经元发放时,即在t=τi(i=1,2,…)时刻,n(t)发生一个跳跃[13-15],n(τi+0)=n(τi)(1-u(τi)).(1)说明当突触前神经元的发放引发u(τi)n(τi)个囊泡释放时,突触前还剩下n(τi)-u(τi)n(τi)个囊泡可供释放.而在τi<t<τi+1时间内,n(t)服从如下动力学性质:(2)值得注意的是,时间常数τD与突触的抑制(depression)有关,这是因为τD越大,n(t)恢复到其最大值nmax的速率越慢,从而导致每次释放的囊泡数减少,引发抑制现象.实验中nmax不易测量,因此要对n(t)做归一化[13]处理,则式(1)和式(2)可分别改写成:当t=τi时,r(τi+0)=r(τi)(1-u(τi));(3)当τi<t<τi+1时,(4)另一方面,u(t)是由突触前末端的残余钙水平所决定的.残余钙水平越高,u(t)就越大.当t=τi时,突触前神经元的发放会导致细胞外的钙离子内流,从而u(t)发生跳跃[13-15] ,即u(τi+0)=u(τi)+(1-u(τi))u0.(5)式(5)中,u0代表u(t)的一个基准值.这样的一个跳跃实际上保证了u0≤u(t)≤1.当τi<t<τi+1时,u(t)以时间常数τF恢复到基准值u0,(6)类似地,时间常数τF与突触的易化(facilitation)有关.τF越大,u(t)恢复到基准值u0的速度就越慢,从而使每次释放的囊泡数就上升,继而引发易化现象.突触后的神经元是一个IF模型,具有一个跨膜电位的阈值Vth和不应期τref.兴奋性突触后电位(记作V)具有如下变化:当V≥Vth时,神经元发放,并瞬间将V下降到静息电位Vr;而在神经元发放后的τref时间内,不论外界怎么刺激,V都保持Vr不变.在其他情况下,V的变化满足(7)式(7)中:R为神经元的漏通道电阻;时间参数τ是漏通道膜电阻与膜电容的乘积;q(τi)=qmaxu(τi)r(τi).这意味着:当t=τi时,突触后神经元接受一个兴奋性输入,使得V出现跳跃[13-15],(8)2 定性分析接下来给出突触前发放为频率等于λ的周期发放的定性分析结果,并在下一节给出突触前的发放为参数等于λ的Poisson脉冲串和定性分析结果的比较结果.分别将r(τi),r(τi+0),u(τi),u(τi+0),q(τi),V(τi),V(τi+0)记为由式(5)和式(6)可知,t在τi与τi+1之间满足(9)式(9)中,由式(9)可得(10)而由式(3)和式(4)可以确定r(t)在τi与τi+1之间满足(11)式(11)中,由式(11)可得(12)若t在τi与τi+1之间突触后神经元不发放,则V满足(13)式(13)中,因此,由式(13)知(14)当突触前发放为频率等于λ的周期发放(即τi+1-τi=1/λ)时,在式(10)、式(13)和式(14)中分别令ui+1=ui=uss,ri+1=ri=rss,Vi+1=Vi=Vss,qi=qssqmaxussrss,可得系统在突触后神经元在受到突触前脉冲输入时的稳态解为：(15)(16)(17)于是,在每一τi时刻,有稳态解(18)进一步,t在τi与τi+1之间的V值为(19)这样,τi与τi+1之间的平均V值(记作为(20)因而,令式(20)中的结合式(18)可得到的稳态解(21)3 结果下面从数值模拟的角度比较突触前发放为周期发放和随机发放的突触可塑性现象.取初始条件:V(0)=Vr,r(0)=1,u(0)=u0,并利用伪随机数生成一个Poisson过程在2000 ms内的所有起跳时间点的序列{τi},用步长为0.05 ms的Euler法跟踪(τi,τi+1]时间内V,r,u,q的变化情况.数值模拟的相关参数来源于表1.表1 数值模拟的相关参数[13-14]参数符号参数数值λ 30 HzτD 130 msτF 530 msu0 0.03τ 60 msqmax3.08 pCR 250 MΩVr0 mVVth10 mVτref2 ms首先来看突触前发放为频率等于λ的周期发放的情况,其中突触前第1个发放时刻固定为τ1=20 ms.图1(b)～图1(d)分别给出了λ=30 Hz时的突触前可供释放的囊泡比例r、突触前囊泡释放的概率u、突触后神经元V及各个发放时刻突触前对突触后的输入电量的变化情况.发现:当突触前神经元的发放频率较低时,突触后跨膜电位没有出现发放现象，但突触后的输入电量及跨膜电位均在突触前神经元的动作电位到达时刻出现跳跃,且经过1 000 ms后出现稳定的周期变化.进一步,令突触前的发放频率λ从10 Hz到100 Hz以1 Hz的间隔进行变动.对每一个固定的λ,取1 000到2 000 ms之间的V和q(τi)的平均值,作为对应于此λ的与qss数值模拟的结果.图 2给出了突触后神经元的随突触前神经元发放频率λ的变化情况.从图2中可以看出,随着λ的增加,qss先上升后下降,而则逐渐上升并趋向于一定值.并且发现,当易化相对于抑制占主导作用时,与qss在λ<30 Hz范围内均随着λ的增加而几乎线性增加.另一方面,当突触前神经元周期发放时,从与qss的数值结果和定性分析的结果比较可以看出两者非常吻合.进一步给出当突触前发放为Poisson过程时的突触可塑性现象.为了突出比较,取Poisson过程的参数和周期发放的频率一样,即λ=30 Hz.图3为相应的数值结果.在上述给定的参数下,突触后神经元没有发放,但V值在突触前发放密集的地方经过若干个冲动后逐渐增大.同样,在突触前神经元发放密集的地方,r与u分别出现类似的下降(抑制)与上升(易化)现象,而突触后神经元的V值则出现随机的振荡现象,从单条轨道看不出V和突触后输入电量的稳定的周期变化现象.(a)突触前的发放为一个频率等于λ的周期脉冲电位串,在Poisson过程的所有的跳跃起跳时间点处标注一个长度为1的线段; (b)突触前可供释放的囊泡比例r随时间的变化情况;(c)突触前囊泡释放的概率u随时间的变化情况; (d)V随时间的变化情况;(e)各个发放时刻突触前对突触后的输入电量图1 突触前神经元为周期发放时的突触可塑性现象的变化情况;(b)qss的变化情况光滑曲线代表定性分析的结果;实心圆点连接的折线代表数值模拟的结果图2 突触前发放频率对与qss的影响(a)突触前的发放为一个参数等于λ的Poisson脉冲电位串,在 Poisson过程的起跳时刻处标注一个长度为1的线段; (b)突触前可供释放的囊泡比例r随时间的变化情况;(c)突触前囊泡释放的概率u随时间的变化情况; (d)V随时间的变化情况;(e)各个发放时刻突触前对突触后的输入电量图3 突触前神经元近似为Poisson发放时的突触可塑性现象对Poisson输入的情形,笔者得不到像周期输入时每隔1/λ时间的稳态解.但可以比较和周期输入时稳态解的接近程度.为此,令突触前的平均发放频率λ从10 Hz到100 Hz以1 Hz的间隔进行变动.对每个λ进行100次独立试验,每次试验取1 000到2 000 ms之间的V和q(τi)的平均值,将100次试验次数的平均值分别作为这个λ下与qss数值模拟的结果.从而给出了在突触前随机发放下,突触后神经元的随突触前动作电位的平均发放频率λ的变化情况,并将数值模拟和突触前周期发放下的定性分析结果进行对比(如图4所示).从图4可以看到：数值模拟结果与定性分析的结果仍较吻合.由图4(a)可以看出，当λ从10 Hz到100 Hz变动时,单调上升,并逐渐趋于饱和.图4(b)则显示qss随着λ的增大出现先上升后下降的变化,并在一合适的λ0(约20 Hz)处达到最大.由图4(a)和图4(b)还可以进一步看出:当λ<λ0时,几乎是随着λ的增加而线性增加的.的稳态解的变化情况;(b)输入电量的稳态解的变化情况光滑曲线代表定性分析的结果;圆圈连接的折线代表数值模拟的结果图4 突触前平均发放频率对与平均输入电量的影响每列子图的上图对应于频率为λ的周期输入的情形,下图对应于参数为λ的Poisson输入的情形;初始发放时刻固定在20 ms;等高线图表示突触后神经元的发放频率在不同的τD和τF的分布情况图5 短时程突触可塑性的时间常数对突触后神经元发放率的影响及周期输入与Poisson输入的比较最后研究周期输入与随机输入对突触后神经元发放的影响.为了便于比较,取λ分别为10 Hz,50 Hz和100 Hz,在(τD,τF)处于[10,160]×[10,1 000]的区域里(单位:ms),统计突触后神经元的发放频率.对Poisson输入的情形,对每组给定的参数λ,τD和τF均进行100次独立试验,得到突触后神经元的平均发放频率(如图5所示).图5的上下两图分别是突触前发放为周期和Poisson的情形.横向比较图5(a)、图5(b)及图5(c)可以看出，增加λ可以促进突触后神经元的发放,且相应地增加了突触后发放的参数(τD,τF)的区域.在图5的每个子图中,对固定的τF,若τD变得足够大,则突触后神经元几乎不发放;当τD较小时,随着τF的增大,突触后神经元的发放频率也逐渐增加.另一方面,纵向比较图5的每个列图发现，当突触前发放为Poisson过程时,突触后发放的区域比突触前为周期发放时的区域大.4 讨论及结果突触的短时程可塑性与人和动物的短时记忆密切相关,而抑制和易化则是短时程突触可塑性实现的2种机制在不同类型的突触中各有轻重.例如,大脑的前额皮质层具有显著的易化作用,而感官区域主要以抑制为主.本文给出了具有抑制和易化的突触可塑性的一类简单模型,通过引进突触变量r,u分别体现突触前准备释放的囊泡比例和囊泡释放的概率,并用q(τi)∝u(τi)·r(τi)体现突触前第i次发放时突触传递的效率,较好地反映了短时程记忆的一些特点[16].定性分析和数值结果均指出:当τD>τF时,短时程的突触可塑性以抑制占主导作用;当τF>τD时,易化占主导作用[16-17].数值模拟结果进一步给出了这2个时间常数在抑制和易化机制中的作用:当τD足够大时,不论τF怎样变化,突触后几乎不发放;另一方面,对固定的τD,突触后的发放频率随着τF的增大而增加.可见,τD能够抑制V的增加,体现了短时程突触可塑性的抑制作用；而τF 能够促进V的增加,体现了短时程突触可塑性的易化作用.本研究结果表明λ的增大能够促进兴奋性突触后电位的发放,但并非刺激的频率越高,突触的效能就越大.事实上,存在一个最合适的频率,当输入不超过这个频率时,突触效能随着刺激频率的增大而上升,而当输入超过这个频率时,突触效能则随着刺激频率的增加而下降.突触效能是描述短时程记忆的重要指标.突触效能越大则表明记忆能够更加稳定地编码.此现象体现了短时记忆能够编码的信息的容量是有限的:如果输入的项目过多(突触前的刺激频率过大),短时记忆的编码效率就会下降.笔者还进一步研究了周期输入和随机输入对突触后神经元发放的影响.数值结果表明:Poisson输入能使突触后神经元发放的(τD,τF)参数区域比周期区域的要大.这是因为当突触前的发放为Poisson脉冲串时,突触前神经元的发放不是等间距的,往往存在一段区域，其发放的峰峰间隔特别密集(小于1/λ),这时V的上升也就特别迅速. 参考文献：[1]Nicholls J G,Martin A R,Wallace B G,et al.神经生物学——从神经元到脑[J].4版.北京:科学出版社,2003.[2]Zucker R S.Calcium and activity-dependent synaptic plasticity[J].Current Opinion in Neurobiology,1999,9(3):305-313.[3]孟玮,李东风.短时程突触可塑性研究概况[J].生物物理学报,2007,22(5):331-337.[4]Izhikevich E M,Desai N S,Walcott E C,et al.Bursts as a unit of neural information:selective communication via resonance[J].Trends in Neurosciences,2003,26(3):161-167.[5]贾凡,周逸峰.短时程突触可塑性的功能意义[J].生物化学与生物物理进展,2000,27(2):174-177.[6]Hodgkin A L,Huxley A F.A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve[J].The Journal of Physiology,1952,117(4):500-544.[7]FitzHugh R.Impulses and physiological states in theoretical models of nerve membrane[J].Biophysical Journal,1961,1(6):445-466.[8]Nagumo J,Arimoto S,Yoshizawa S.An active pulse transmission line simulating nerve axon[J].Proceedings of the IRE,1962,50(10):2061-2070. 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乌贼游动机理及其在仿生水下机器人上的应用王振龙;杭观荣;王扬威;李健【期刊名称】《机械工程学报》【年(卷),期】2008(44)6【摘要】针对大多数机器鱼未采用弹性机制来提高能量利用效率和耐压能力低等的不足,对拥有高超游动能力,具有耐压结构的乌贼进行研究。

分析乌贼喷射和鳍波动推进的游动机理,给出喷射推力、喷射和整周期流体推进效率方程。

乌贼复合游动方式的优点是高速性和低速性均很好,能瞬时改变游动方向,噪声低,以及即使喷射速度低于周围流体速度,也能产生推力。

为深入说明乌贼游动机理,研究乌贼外套膜和鳍这两套运动系统的肌肉性静水骨骼结构及其动作原理。

肌肉性骨骼不但具有支撑躯体,进行动作和输出力的作用,还具有良好的耐压能力。

大多数乌贼体内没有充气组织,外套膜腔内外静压平衡,进一步提高了它们的耐压能力。

乌贼动作时,弹性机制能够减少能量消耗,提高能量利用效率。

若能将乌贼的游动方式、肌肉组织结构和弹性机制等特点应用到仿生水下机器人上,将使其更加高效、灵活和耐压。

【总页数】9页(P1-9)【关键词】乌贼;游动机理;肌肉性静水骨骼;弹性机制;仿生乌贼机器人【作者】王振龙;杭观荣;王扬威;李健【作者单位】哈尔滨工业大学机电工程学院【正文语种】中文【中图分类】TP242.3【相关文献】1.形状记忆合金在仿生水下泳动机器人中的应用 [J], 李健;王振龙;郭艳玲2.OCPA仿生自主学习系统及在机器人姿态平衡控制上的应用 [J], 蔡建羡;阮晓钢3.智能材料在水下仿生机器人驱动中的应用综述 [J], 刘贵杰;刘展文;田晓洁;王清扬;陈功4.海马空间认知机理及其在仿生机器人导航中的应用 [J], 于乃功;李倜;方略;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。