鱼体运动链一体化体系下柔性体的自主推进特性研究

This project is to explore the self-propulsion characteristics of the flexible body subjected to the integrative chain of fish locomotion by means of measurements of live fish, modeling establishment, numerical simulation, and theoretical analysis. The major purpose is to reveal the mechanical principle in fish free-swimming. This project belongs to a multi-discipline and frontier study in the guide of fluid dynamics, and the research work mainly includes the following aspects. Integrative mechanical study of fish locomotion is performed by measurement of live fish and the flexible body model for mimicking the real fish-body is established. The numerical methods for the coupled solution and interaction between the flexible body and its surrounding fluid are developed, and then the numerical simulation platform is built up for solving the equations of fluid dynamics as well as solid dynamics and structure. The self-propulsive behaviors of the flexible body subjected to the integrative chain of fish locomotion and the relevant mechanisms of flow control are investigated. Based on the above researches, we can attempt to understand the mechanical properties and the constitutive relationship of skin, muscle, and body trunk of crucian carp, to establish the theoretical modeling method of self-propulsion of fish swimming, and to disclose some fundamental mechanisms involved in fish swimming, especially the self-propulsion behaviors and unsteady flow control. The results obtained will provide some new concept and principle in fundamentals and applications.

本项目以鱼类游动为研究对象，以活体测量、模型建立、数值计算和理论分析相结合的综合研究手段，开展鱼体运动链一体化体系下柔性体的自主推进特性研究，旨在探索鱼类自主游动的力学原理。这是一个以流体力学为先导的多学科交叉的前沿课题，研究内容主要包括：开展运动链一体化体系下的鱼体模型研究，基于鱼体材料力学性能、肌电信号和形态学等参量的测试，建立模拟鱼体运动的柔性体模型；开展流体和柔性体耦合计算方法研究，建立流体力学方程和变形体动力学方程的数值模拟平台；开展鱼体运动链一体化体系下柔性体自主推进特性和流动控制机理研究。通过研究弄清典型鱼体生物材料的本构特性和肌电信号控制下的鱼体结构变形运动特性，揭示模拟鱼体肌肉和结构的柔性体与流体间相互耦合作用下自主推进特性和生物运动力学机理，特别是在生物体的自主推进和流动控制方面有创新性的发现和机理解释。研究结果还将为具有国家重大需求的相关仿生技术提供新概念和新原理。

本项目开展鱼体运动链一体化体系下柔性体的自主推进特性研究。这是一个以流体力学为先导的多学科交叉的前沿课题，以鱼类游动为研究对象，以实验测量、模型建立、数值计算和理论分析相结合的综合研究手段研究鱼体运动链一体化体系下柔性体的自主推进特性，旨在探索鱼类自主游动的力学原理。依据该项目的研究计划，已圆满完成了研究内容，达到了预期的研究目标。通过研究达到如下预期目标，建立了一类鱼体运动链一体化体系的理论模型，发展了流体和柔性体耦合模拟的计算方法和软件，揭示了柔性体自主推进特性和复杂流动控制机理。.在本报告中，项目研究工作的主要进展和所取得的成果将主要介绍如下五个方面：运动链一体化的鱼体模型和自由游动研究；流体和柔性体耦合计算方法研究及柔性薄圆板绕流模拟；拍动柔性板自由推进运动及其机理研究；壁面效应的拍动柔性板自主推进特性研究；波状摆动柔性体整体推进特性和尾流中柔性板摆动特性研究。本项目的相关研究成果已在J. Fluid Mech.（2篇）、Phys. Fluids（4篇）和Phys. Rev. E（2篇）等重要学术期刊发表论文15篇、重要学术会议8篇（其中邀请报告2次）。.在本项目执行过程中，项目组主要成员积极参与国内外的学术交流和合作研究。本项目主要成员10多人次参加了多个国际学术会议，会上报告了本项研究的最新进展，受到国际国内同行的好评和关注。项目负责人还参与多个国际学术会议的学术委员会委员和组织委员会委员等。项目执行期间邀请了来自美国、荷兰、澳大利亚、新加坡等10余位海外学者进行学术交流。.通过本项目的实施，有助于我们培养高素质的人才。已有4位博士研究生和2位硕士研究生毕业获得学位，还有4名在读博士研究生和2名在读硕士研究生参与本项目相关领域的工作。他们的研究工作已发表在一些著名的国际学术期刊，如J. Fluid Mech.和Phys. Fluids等。由于在游动和飞行生物运动力学领域的贡献，项目负责人于2015年获第二届“周培源水动力学奖”。