基于鳐鱼游动的三维动波浪壁自主推进流动控制机理研究

In nature, animals are capable of controlling flow using active or passive deformation of body surface, and have more excellent movement performance than man-made vehicles. However, the fluid mechanisms of the three-dimensional wave wall are still unknown.Based on swimming of undulatory rays, the flow control mechanisms of the three dimensional self-propelled traveling wave are investigated in this study, with a 3D computational fluid dynamics package, which includes the immersed boundary method and the volume of fluid method, the adaptive multi-grid finite volume method, and the control strategy of swimming and flying. First, the impacts of the waveform, wave frequency, wavelength and direction of wave propagation of the 3D traveling wave like flying carpet on the force applied on body and wake structure are studied, and the depth analysis of flow control mechanism of three-dimensional traveling wave wall are carried out. Finally, combined with the kinematics data of rays, the hydrodynamics of self-propelled swimming of undulatory rays are simulated, in order to reveal the mechanisms of efficient swimming of rays using the traveling wave. These results will elucidate the fluid mechanism of the flow control of the moving wave wall, promote the applications development of moving surface flow control and have important practical significance and inspiration for the development of high-performance vehicles and underwater bionic robot.

在自然界中，生物通过表面的主动或被动变形，能完美地实现流动控制，拥有人造运载工具无可比拟的出色运动性能。但是目前三维波动物面的流体力学机理仍是不清楚的。本项目以波动推进鳐鱼游动为基础和启发，系统开展"三维动波浪壁自主推进流动控制机理研究"。本研究将结合并行三维自适应多重网格有限体积法、内置边界法和VOF方法，发展能够模拟三维动边界问题的计算流体软件包，组合CFD和生物运动动力学控制实现生物自主运动模拟。首先研究类似飞毯的三维行波壁自主推进时波形、波频、波长和波的传播方向等变化引起的受力和涡结构变化，深入分析三维行波壁流动控制机理。其次在鳐鱼的运动学数据基础上，对三维波动推进鳐鱼的游动机理进行系统分析，揭示自然界生物采用动波浪壁高效游动的秘密。这些结果必将增强对动波浪壁流动控制机理的认识，促进动物面流动控制应用的发展，并对开发高性能运载工具和水下仿生机器人，具有重要的实际意义和启发。

在自然界中，生物通过表面的主动或被动变形，能完美地实现流动控制，拥有人造运载工具无可比拟的出色运动性能。但是以前有关三维波动物面的流体力学机理是不清楚的。本研究以波动推进鳐鱼游动为基础和启发，系统开展了“三维动波浪壁自主推进流动控制机理研究”。.本研究结合并行三维自适应多重网格有限体积法、内置边界法和VOF方法，发展了能够模拟三维动边界问题的计算流体软件包，组合CFD和生物运动动力学控制实现了生物自主运动模拟。通过三维圆球绕流的数值模拟和俯仰振荡翼流动的数值模拟, 验证了该程序的可靠性。.首先研究了类似飞毯的三维行波壁自主推进时流动控制机理。分析了不同的波动参数对飞毯状动波浪壁运动的影响规律和涡动力学机理，通过控制消除了动波浪壁尾迹中的集中大尺度涡结构, 找出了三维动波浪壁流动控制的关键参数。发现消除大尺度尾迹后，三维飞毯状动波浪壁的游动效率更高。同时研究了飞毯状动波浪壁靠近地面运动时，“地形效应”对三维动波浪壁的作用。.其次在鳐鱼的运动学数据基础上，对三维仿鳐鱼动波浪壁自主推进的游动机理进行了系统分析。对不同形体仿鳐鱼三维动波浪壁的自主运动机理进行了对比研究。从三维涡结构，波动物面的涡量以及流场中的涡量产生和演化机理和压力场等不同角度，探讨了三维仿鳐鱼动波浪壁自主运动无大尺度涡结构产生的流体机理。并揭示了对于这种具有良好流动控制效果的三维动波浪壁，波动频率、波长以及波幅对三维波动物面受力作用以及流动控制机理的作用。揭示了自然界生物采用动波浪壁高效游动的秘密。.这些结果增强了对动波浪壁流动控制机理的认识，为动物面流动控制应用的发展奠定了良好的基础，对开发高性能运载工具和水下仿生机器人，具有重要的实际意义和启发。