胶囊机器人管内流场的数值模拟和实验测量

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.