多个柔性体的仿生自主推进特性和动力学机理研究

This project is to explore the bio-inspired self-propulsion characteristics of multi-flexible-body and the underlying dynamical mechanisms by means of measurement of modeling establishment, numerical simulation, and theoretical analysis using fish schools as the research object. The major purpose is to reveal the mechanical principle in animal collective locomotion. 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. The bio-inspired collective locomotion models with multi-freedom-motion and multi-flexible-body are established, and the numerical methods for the coupled interaction between the multi-flexible-body and the surrounding fluid are developed. The orderly patterns and propulsive performances for the multi-freedom-motion and multi-flexible-body bio-inspired self-propulsions are investigated. The underlying dynamical mechanisms, flow control behaviors and the hydrodynamic fundamentals on the formation of orderly patterns are deeply studied. Based on the above research, we can establish the research platform on the bio-inspired self-propulsion characteristics of multi-flexible-body based on the coupling simulation of fluid flow and multi-flexible-body motions, and disclose some fundamental mechanisms on the orderly patterns, propulsive performances, hydrodynamics and flow control, in particular on the Lighthill conjecture that the orderly patterns in fish schools may emerge passively from hydrodynamic interactions and the underlying hydrodynamic fundamentals. The results obtained will provide some new concept and principle in fundamentals and applications.

本项目以鱼类集群游动为研究对象，以模型建立、数值计算和理论分析相结合的综合研究方法，开展多个柔性体的仿生自主推进特性和动力学机理研究，旨在探索生物集群运动的力学原理。这是一个以流体力学为先导的交叉前沿基础科学问题，当今在国际上倍受学者关注，研究内容主要包括：开展多运动自由度的仿生推进柔性体模型及流体-柔性体高效耦合计算方法研究；开展仿生自主运动柔性体集群运动的排列方式和推进性能研究；开展柔性体集群运动的动力学特性、流动控制机制以及形成集群运动有序排列方式的力学机理研究等。通过研究，建立起多柔性体动力学和流体力学联立求解的数值模拟平台，揭示仿生自由运动柔性体集群运动的排列方式、推进性能、动力学特性和流动控制规律等，尤其是一般条件下Lighthill猜想的合理性和形成集群运动排列方式的力学机理。这些研究结果不仅在运动生物力学的基础理论上具有重要意义，也为仿生技术和仿生航行器的控制提供理论支撑。

本项目以鱼类集群游动为研究对象，以模型建立、数值计算和理论分析相结合的综合研究方法，开展多个柔性体的仿生自主推进特性和动力学机理研究，旨在探索生物集群运动的力学原理。研究内容主要包括：开展多运动自由度的仿生推进柔性体模型及流体-柔性体高效耦合计算方法研究；开展仿生自主运动柔性体集群运动的排列方式和推进性能研究；开展柔性体集群运动的动力学特性、流动控制机制以及形成集群运动有序排列方式的力学机理研究等。这些研究结果不仅在运动生物力学的基础理论上具有重要意义，也为仿生技术和仿生航行器的控 制提供理论支撑。.本项目已按照研究计划圆满地完成了研究计划书中的内容。在本报告中，项目研究工作的主要进展和所取得的成果包括如下几个方面：多个柔性体串列排列的自主推进特性；自主推进柔性体的运动模式和推进性能；柔性板形状和弦向刚度分布对推进性能的影响；不同推进能力的柔性板自主推进性能；不同尾缘形状柔性板的自主推进特性。相关研究成果在 J. Fluid Mech.、Phys. Fluids 和 Phys. Rev. E 等重要学术期刊发表论文12篇国际学术期刊论文，并多次应邀在国际和国内学术会议做邀请报告。.在本项目执行过程中，我们积极加强了国内外的学术交流和合作研究。本项目成员多次参加了国际学术会议，受到国际国内同行的好评和关注。项目执行期间邀请了来自美国、新加坡等多位海外学者进行线下线上学术交流。项目负责人应邀担任“第25届世界力学家大会（ICTAM 2020+1）”分会主席，并在“Vortex Dynamics”分会做邀请报告。由于与该项目研究领域相关的学科发展和国际合作交流的重要性，还得到了国家外国专家局“111 计划”的资助。通过本项目的实施，有助于我们培养高素质的人才。已有3位博士研究生毕业获得学位，还有多名在读博士和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。