柔性细丝自推进同步运动的流体力学机理

Bird flock and fish schooling are common biological activity in nature, where each of birds or fishs moves at the same speed and in the same direction and this group maintains a certain formation. In order to explor the mechanism of bird flock and fish schooling, we propose a simple model as follows: two tandem flexible filaments are self-propulsed in fluids. We will investigate how those filemenats are synchronized, in the sense of that they move at a fixed seperation. In a broad sense, the distance between two filaments can be kept constant, periodic or chaotic. This will be achieved by numerically solving the Navier-Stokes equations coupled with the governing equations for two filements, where the immersed boudary method is used. Further, we will study the efficiency of self-propelled flexible filaments and compare the efficienies between two filements and a single one in self-propulsion. The results obtained will highlight the posssible hydrodynamic advantages of bird flock and fish schooling

鸟群和鱼群的长途迁徙是自然界中常见的生物活动，在迁徙过程中，鸟群和鱼群中个体方向、速度均保持高度一致，保持一定的队形，且排列规律，柔性细丝对的自推进同步运动是上述问题的简化模型。本课题将研究柔性细丝对的自推进同步运动，通过求解N-S方程，得到柔性细丝对之间相互作用的非定常流场及柔性细丝对的运动方式，寻找柔性细丝对的自推进同步运动的存在性和自推进同步运动问题的分类，即柔性细丝对在做自推进运动时，细丝之间的距离可以保持常数（即完全同步），或者细丝之间的距离呈周期性变化（即周期同步）；同时，我们也将进一步分析柔性细丝对的自推进运动效率，在相同的参数下，与单根细丝自推进运动的比较，主要是能量消耗的比较，以验证柔性细丝对与单根细丝相比，柔性细丝对的自推进同步运动将更省力、推进效率更高的设想。因此，深入探讨柔性细丝对的自推进同步问题对生物学和流体力学都有着深刻的意义。

项目围绕鱼群或鸟群在游动和飞行时保持规律队形而展开，利用浸入边界方法，数值分析了鱼群或鸟群迁徙运动中的流体力学机理。首先提出了侧向自由的弹性细丝模型，探究了细丝在不同涡街中运动特性及其流场结构，发现了细丝存在四种运动模式，细丝在涡街的外侧往复振动，穿梭于涡核之间往复振动，被夹在涡带之间往复振动以及微弱振动。在反卡门涡街中，细丝总是会在涡街外侧振动，受到阻力明显小于细丝在涡街里面时阻力，这种运动模式对应斯特劳哈尔数为St=0.3~0.4，与鱼群具有最佳推进效能所对应的斯特劳哈尔数St=0.2~0.4重合；在大部分卡门涡街中，细丝穿梭于涡核之间往复运动，这种运动模式与游鱼躲在障碍物下游行为相似；在含有涡带的涡街中，细丝会延长涡街中原有涡带，且细丝被两侧涡带夹在中间上下摆动，上游扑翼尾涡脱落被延迟在细丝尾部脱落，上游扑翼的阻力减小，在密集的卡门涡街中，细丝只能产生微弱振动，细丝后没有涡街脱落，此时上游扑翼阻力明显减小（最高减阻达14%）。其次构建了倾斜布置和三角形布置多个摆动水翼模型，分析了纵向和侧向间距对鱼群推进特性及流场结构的影响，得到了总体推进效能最佳的队形。最后构建了并列布置的双扑翼模型，研究了双翼对称振动的振幅、频率、间距和攻角等参数对其推进特性和流场结构的影响，在相同参数空间下，双翼对称振动中单个机翼会产生更大的推力、更强的涡和射流，具有更好的推进性能。另外，为进一步深入揭示蜻蜓翼气动性能，依据自然界真实蜻蜓翼的实际测量数据，基于逆向工程设计，建立了蜻蜓三维褶皱前翅的CFD模型和CSD模型，模拟了蜻蜓滑翔飞行和扑翼前飞两种飞行模式的整个过程。本项目根据流场结构的变化解释了扑翼之间的流—固耦合作用机理，为进一步理解鱼群或鸟群迁徙运动中的流体力学机理提供了一些参考，并为微型飞行器和微小型水下航行器的气动和队形设计提出一定的依据。