三维柔性仿生鱼在地面效应下的自主运动流动控制机理研究

In nature, benthic fishes propelled by undulating and flying fish achieve excellent locomotion performance in ground effect. The ground effect has been studied mostly non-oscillatory wing. However, the fluid mechanisms of the unsteady ground effect are still unknown. Based on swimming of two kinds of fishes, the flow control mechanisms of self-propelled locomotion of the three dimensional flexible bionic fish in ground effect are investigated in the present study, with a 3D computational mechanics codes, which combine fluid and flexible solid interaction, and the control strategy of biology locomotion. Firstly, the impacts of undulating modes and the body elasticity on the locomotion performance of undulatory fish are studied. Then the gliding flights of flying fish are also simulated in two cases of biplane-type and monoplane-type respectively. The relationships between the kinematic features, which are the forces applied on fish body and the motion efficiency, and the fluid fields of self-propelled locomotion are revealed with boundary vorticity flux theory and the analysis of the 3D vortex structure. The vorticity generation on the surface of the flexible body and the evolution of the wake vortex show the fluid mechanisms of self-propelled locomotion clearly. The control strategy of active and passive deformation which the bionic fish achieve optimal locomotion performance with are explored through the bionic movement control. These results will elucidate the fluid mechanism of the unsteady ground effect, and promote the development of high-performance ground effect vehicles.

在自然界，海洋底栖波动推进鱼类和飞鱼，利用地面效应取得了出色的运动性能。但是目前有关地面效应的研究以固定翼居多，非定常地面效应的机理并不是很清楚。本项目针对这两类鱼的游动，系统开展“三维柔性仿生鱼在地面效应下的自主运动流动控制机理研究”。本研究将发展大变形柔性体与流体相互作用数值模拟软件包，组合生物运动控制实现柔体生物自主运动模拟。首先研究不同波动规律（主动变形）和不同鱼体柔性（被动变形）情形下，柔性波动推进仿生鱼在地面效应下的自主运动特性。其次对飞鱼采用单翼和复翼在地面效应下的滑翔运动分别进行研究。运用边界涡量流理论和三维涡结构分析揭示柔性体在地面效应作用下的运动受力、运动效率与柔体物面涡量的产生和涡结构演化关系的流体机理。通过生物运动控制，寻找使得不同推进方式仿生鱼在地面效应下具有最佳运动性能的主被动运动控制策略。这些结果将增强对非定常地面效应机理的认识，并具有潜在的应用价值。

海洋底栖波动推进鱼类和飞鱼，能够利用地面效应取得出色的运动性能，为了揭示这些海洋生物运用非定常地面效应的关键流体物理机理，深入开展了本项目。在负责人已有程序包基础上，发展了大变形柔性体与流体相互作用的模拟功能，具备了柔性生物体自主运动流固耦合模拟能力。对比研究了拍动推进和波动推进仿生鱼在地面效应下的流动特征，系统分析了仿生鱼不同形体、柔度、离地高度和拍动（波动）参数（频率和振幅）等参数对仿生鱼在平坦地面和波状地面效应下的性能影响机制。通过仿生鱼涡结构和受力变化特征等流体物理机制分析，找出了影响地面效应的关键物理参数和仿生鱼在地面效应下获得最佳运动性能的流动控制策略。.研究发现仿生鱼的离地高度、形体和运动规律都是影响其地面效应的关键参数，但是离地高度是最主要的影响因素，拍动推进的有效离地高度是两倍体长，而波动推进模式是0.4倍体长。对于拍动推进，地面效应主要提高得是升力，而波动推进主要提高得是推力。在有效的离地高度范围内，近地面的高频率俯仰拍动仿生鱼具有最大的升阻比，但随着离地高度的增加，只有适当的俯仰频率才能使仿生鱼达到最大的升阻比。而对于波动推进模式，波动频率的增加会使得波动面周围流场的涡量强度均匀增加，进而巡游速度单调增加。两种推进模式下都只有采用合适的拍动（波动）振幅来才能获得最优的推进性能。当地面形状为波状地面时，使翼型获得最大升阻比的最佳摆动周期应当随地面波长适当增加。柔性对升力和阻力的影响是不同的，对于拍动推进，当拍动翼型的柔度增加时，阻力持续增加，但只有在一定的柔度的区间升力才能持续增加，在柔度较低和较高的区间，升力趋于稳定且变化不明显。柔度的增加同时降低了采用滑翔运动翼型的升力和阻力系数，但阻力系数的变化更大。因此，柔性的增加会直接导致升阻比的增加，柔性较大的仿生鱼在滑翔性能上更为优越。