座头鲸鳍肢前缘结节的非定常流动控制机理研究

本项目以数值模拟和理论分析为主要手段，研究座头鲸鳍肢前缘结节的非定常流动控制基本原理。这是一项以流体力学为先导的多学科交叉的新研究课题，且具有重要学术价值和高技术应用前景。研究内容主要包括：（1）在鳍肢挥拍运动中，前缘结节的非定常流动控制机理；（2）在鳍肢变形过程中，前缘结节的非定常流动控制机理；（3）鳍肢在转弯过程的非周期性运动中，前缘结节的非定常流动控制机理。通过研究，揭示座头鲸鳍肢前缘结节在非定常流中的流动控制原理，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。

座头鲸具有高超的转弯本领，其胸鳍的前缘结节能够提高升力、延缓失速，在转弯机动中起着重要作用。揭示座头鲸鳍肢前缘结节在非定常流中的流动控制原理，可以用于各种控制面的设计，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。目前，在鳍肢匀速运动中前缘结节的流动控制机理仍存在争议，对于非定常运动情况下前缘结节流动控制的研究还很少见。本项目研究了座头鲸鳍肢的非定常流动控制机理，包括前缘结节在鳍肢周期性挥拍和柔性变形、以及转弯机动的非周期性运动中的非定常流动控制机理，并探讨了沉浮翼推力的来源，提出了波状前缘以及波动变形的动态失速控制方法。 研究结果表明，当鳍肢作周期性挥拍和柔性变形时，无论是采用推力模式或升力模式的运动方式，前缘结节对流体动力性能都无增益。对于推力问题，前缘结节对推力的影响很小，尽管前缘涡有所改变，但其尾迹区的反卡门涡街未见明显变化；对于升力问题，在大攻角范围内，下拍过程中前缘结节能增加背风区旋涡的稳定性，上挥过程中前缘结节能加速背风区涡系的抬起和耗散。在转弯机动中，前缘结节能够显著改善流体动力性能。当鳍肢在初期做翻转运动时，前缘结节能增强背风区旋涡的附着，增加升力；在后期匀速挥动时，前缘结节产生的流向涡和法向涡能增加边界层稳定性，增强上翼面的低压区，增加升力、延缓失速。综上所述，前缘结节的流动控制效果与翼的运动方式密切相关，仅在翻转运动和匀速运动时能有效地提高升力，而在周期性拍动中，并不能提高升力或着推力，这与自然界中仅发现依靠胸鳍非周期运动实现转弯的座头鲸的胸鳍具有前缘结节，而其它依靠周期拍动产生升力或推力的水生动物的鳍并未出现类似前缘结节突起的现象一致，符合自然选择的规律。