弹性离散波动板水动力学特性研究

During the undulation swimming of aquatic animals, their elastic bodies store and release energy. It allows the animals utilize the hydroenergy in environment flow. Here we proposed a research on the hydrodynamic characteristics of discrete elastic waving plates as a requirement of the practices of bionic fish robots and the lacking of corresponding theory. Experimental study and numerical simulation are planned to investigate this problem. The fluid mechanical analysis will be carried out. The planned research topics include, the modelling of fluid structure interaction between flow and discrete elastic waving plates. The hydrodynamic characteristics of two-unit and three-unit discrete elastic waving plates. The research result will clarify the relationship between the propulsion efficiency and the locomotion parameters, and reveal the process of energy exchange between the discrete elastic waving plate and ambient fluid. The research will also give out a fast and precise evaluation for the propulsion of the discrete elastic waving plates. The coming result will provide the fundamental theory and knowledge to design and manufacture underwater propeller.

水生动物在水中波动运动时，其身体的弹性起到了储能和释能的作用，从而使其可以更有效的利用环境流体中的漩涡等涡结构所蕴含的能量，本项研究针对仿生机器鱼工程实践的需要但理论的相对匮乏的情况开展弹性离散波动板水动力学特性研究，以实验研究和数值模拟为手段，以弹性离散波动板为研究对象，运用流体力学分析测试的方法研究其水动力学特性。具体研究内容包括：对弹性离散波动板周围流体建模，研究二刚体单元、三刚体单元弹性离散波动板与流体耦合运动的水动力学特性。研究结果将明确影响弹性离散波动板推进效率的关系性运动控制参数，揭示弹性在波动推进运动中的关键作用，建立弹性离散波动板的快速精确的水动力学模型，研究结果将为设计与研制具有自主知识产权的仿生水下推进器提供理论与技术支持。

本项目计划针对生物与仿生推进问题中的波动运动开展基础科学研究，具体研究内容为针对生物体波动推进运动开展定量的理论、数值模拟与实验研究，研究将波动运动离散化的情况下，同时考虑弹性结构的储能与释能过程，研究振动与弹性材料耦合作用。在生物运动观测、实验测量技术、数值模拟与模型研究方面开展了以下一些主要的研究工作：.在生物运动观测方面，定量测量了两种活体鱼类在循环水洞和静水中巡游状态下游动的运动学数据，并对所得到的体干曲线的时空数据进行本征正交分解，由高维数据获得降维后的低维描述。结果表明，处于巡游状态的活鱼运动可以简化为两个时间模态及空间模态的乘积。.在数值模拟方面，完成了基于格子玻尔兹曼方法开源Palabos平台下二单元铰接板的数学建模，并开展了数值模拟工作。对几何参数相同的铰接两板研究表面，雷诺数对系统运动状态的影响主要体现在系统周期性受力的幅值上，随着雷诺数增加，流体对二单元板系统的作用力峰-峰值逐渐增加。.在实验测量技术方面，开发了一种新型的基于结构光和双目视觉的动态表面测量系统，该测量系统同时具有非接触、动态测量、全场测量的特点，实现高测量、高稳定性三维表面测量。.在模型研究方面，研究了两种波动运动中弹性结构的储能与释能过程。第一种是采用肥皂膜水洞为研究手段，研究了在二维流场中细长结构自激振荡系统的受迫振动行为，探索了其尾迹涡街结构及分布规律，发现了细长体波动摆动和尾迹之间的关联性。.在研究基于PDMS弹性结构在振动激发的摆动过程中储能与释能过程时，发现了一类基于振动的黏附控制的未经报道的新物理效应，针对这一新发现，通过单轴拉伸粘附力测量方法测量了不同振动频率和振幅下PDMS与刚性接触器之间的粘附强度，建立简化模型并进行理论分析，研究表明动态粘附系统中界面粘附强度与粘附界面的裂纹尖端扩展速度存在直接关系，发现粘附强度可以连续调节，不受表面微观结构的影响，且无需预紧力，这一发现为粘附强度调节提供了新方法。