鱼游涡结构研究与低噪声游动机理探索

The project aims at exploring the mystery of the low noise mechanism of swimming fish. The morphological observations, kinematics and dynamics experiment for BCF swimming fish will be carried out, including: high speed stereo imaging observation for live fish surface movement and deformation and Tomographic-PIV experiment for live fish swimming. Time series data of surface movement and deformation of the fish body, and the spatial vortex structure characteristics and its evolution over time will be analyzed and extracted. Then the time series data of fish body surface movement and deformation will be input as moving boundary, and the unsteady flow field will be simulated using Large Eddy Simulation (LES), the vortex structure of swimming fish will also be extracted from numerical results. And then the numerical simulation method for hydrodynamic noise will be researched and developed for swimming fish. By comparing the differences of characteristics of vortex structures between live fish and bionic fish, the deficiencies of geometrical configuration and kinematic modeling for bionic fish will be discovered and eliminated. The correlation analysis between fish vortex structure and the hydrodynamic noise, will reveal the low noise mechanism for swimming fish, which will promote the further development of bionic propulsion and bio-robot, and provide support for the design of low noise bionic underwater vehicles.

为揭示鱼类低噪声游动的奥秘，本项目对典型BCF游动鱼类进行形态学、运动学观测与动力学试验，包括：活鱼表面运动与变形的高分辨率、高速立体成像观测，活鱼游动流场的Tomographic-PIV试验，提取鱼游体表面运动与变形的时间序列数据，分析涡空间涡结构特征及其随时间演化规律。然后，以鱼游体表面运动与变形的时间序列数据作为运动边界输入，采用大涡模拟方法（LES）开展鱼游涡结构的数值计算研究，进一步研究发展鱼游水动力噪声数值计算方法。通过比较活鱼/仿生鱼流动涡结构的特征差异，分析并改进现有仿鱼游动建模等方面的不足。通过鱼游涡结构与水动力噪声的相关分析研究，揭示鱼类低噪声游动机理，促进仿生推进技术的深度发展，为低噪声仿生水下航行体设计研制打下技术基础。

鱼类低噪音游动有望为仿生水下航行体和仿生推进器低噪声设计带来巨大启迪，但目前研究不多，知之甚少。本项目采用多相机立体摄像方法，在小型循环水槽中对典型BCF模式游动活鱼（曼龙鱼）开展了鱼游姿态观测及流场Tomographic-PIV测试，获得了鱼体表面几何数据及其随时间变化，及鱼尾部较完整的涡环空间结构。研究表明，鱼尾涡环结构交错分布，在涡环中心存在一股明显的射流，其速度较大。经Galilean变换后可见，射流方向与涡环结构接近垂直，随着向下游演化交错分布的涡环逐渐分离。在活鱼2D-PIV试验中同样可观测到，尾部流场中存在交错分布的涡环结构。. 然后，开展了BCF模式推进仿生鱼的几何建模与运动仿真，采用大涡模拟方法（LES）开展鱼游涡结构的数值计算研究，提取分析其空间涡结构及其随时间变化规律。研究设计了大尺度BCF模式仿生鱼试验模型，在大型循环水槽中开展了仿生鱼水动力试验及尾部流场2D-PIV测试研究。通过与推力及涡结构试验结果的比较，验证了鱼游涡结构数值计算方法的正确性。同时可见，仿生鱼尾部流场中交错分布的“之”字形涡环结构，与活鱼试验流场主涡结构特征及空间演变规律定性一致。. 在非定常流场涡结构计算的基础上，进一步计算获得随时间变化的表面脉动压力，通过Lighthill声类比公式(FW-H方程)计算随时间变化的声压，建立了鱼游水动力噪声数值计算方法。对不同运动频率下尾鳍摆动推进涡结构和水动力噪声进行数值计算研究，分析了水动力噪声频谱特性和涡结构特征的相关关系，探索了鱼游低噪声机理。研究表明，随着摆动频率的增加，尾鳍尾涡分布由单列“之”字形涡结构逐渐变为双列楔形涡，尾涡涡环间夹角逐渐增大，尾流中的小尺度涡逐渐增多。同时，其下游位置噪声总声级有明显下降。另外，对尾鳍柔性变形对尾鳍摆动推进噪声的影响也进行了研究。本项目研究促进了鱼游低噪声机理的揭秘，推动了低噪声仿生水下航行体设计技术的发展.