流体动力学中虚功率原理的建立及应用

本项目旨在从拉格朗日力学出发，推导出一种适用于流体动力学分析的具有清晰物理意义的理论分析方法- - 流体动力学中的虚功率原理，并选取圆柱和自主游动的鱼体等为研究对象，研究单物体绕流和多物体绕流问题，分析其中影响物体表面流体动力产生和变化的关键物理机制，为流动控制提供足够的理论依据，甚至可以探讨流动控制的指导方案。

在流体动力学研究或工程实践中，人们一直在关注流场中影响物体受到流体动力的关键物理机制，特别是运动物体或者变形物体在复杂流场中受到流体动力的作用机制。通常情况下，流场中物体的受力是通过对物体表面的压强和摩擦力进行表面积分得到的，这难以分析出物体受力的成因。在本项目的资助下，建立一套流体动力学分析的理论分析方法——虚功率原理及其推论，该原理适用于符合连续介质假设和应力柯西原理的流体，通过对典型例子的分析，证明该原理可以分析作用在物体表面的流体动力的成因——非定常效应(如附加质量效应)、边界动能分布效应(如Magnus效应)、流场涡结构对力的贡献、粘性效应(如Stokes阻力)以及流体体积力效应(如浮力)，这有效地揭示了作用在物体上的流动动力产生和变化的关键物理机制，有利于加深对物理规律的认识。在鱼类游动的机理研究方面，从鲹科鱼类的强机动运动(C型起动)和鳟鲑鱼类的长距离巡游优化两个方面进行了探讨，分别揭示了C型起动中存在曲率行波对机动性能的有益控制机理以及鱼体的标准代谢能耗在巡游性能优化中的作用，从而对鱼类游动有了进一步的了解。