蝠鲼水动力特性及柔性机制影响研究

The manta ray adopts the combination of gliding and oscillation locomotion propulsion mode during the cruise swimming. This mode has the advantages of high efficiency, high lift-to-drag ratio, high maneuverability, high stability, and low noise, and therefore has a great bionic value. Compared to the Body and Caudal Fin mode, the manta oscillation locomotion is more complex and can be seen as the three coupled motions: span-wise deformation, chord-wise undulation, and the distorted deformation caused by the phase difference. At the same time as the active deformation, due to the flexibility of epidermis and muscle, there exits passive deformation. Under the conditions of such complex active and passive deformation, the mechanism of efficient propulsion has not yet been ascertained. This project aims at the technical requirements of high-performance bionic under water vehicle. Numerical simulation and experimental testing methods will be employed to systematically conduct studies on the effects of hydrodynamic characteristics and flexible mechanisms of manta rays. The investigation will be focused on the following issues: numerical methods of fluid-structure interaction problems under large deformation conditions, the experiment of the flexible wing, the influence mechanism of active and passive flexible deformation under the gliding state and oscillation locomotion state, and the mechanism of the efficient propulsion. The project will provide a theoretical basis and technical reserves for the development and application of high-performance bionic soft body under water vehicles.

蝠鲼在巡游过程中采用滑翔加拍动推进的模式，该模式具有高效率、高升阻比、高机动性、高稳定性、低噪声等优点，因此具有很大的仿生价值。相比于尾鳍摆动推进模式，蝠鲼的拍动推进模式更加复杂，可以看作是胸鳍的展向拍动变形，弦向的波动变形，展向相位差引起的扭曲变形耦合而成，在主动变形的同时，由于表皮以及肌肉的柔性机制，又存在着不同程度的被动变形。在如此复杂的主被动变形条件下的水动力特性、柔性机制下的高效运动机理尚未探明。本项目针对高性能仿生潜水器的技术需求，将综合利用数值模拟和实验测试手段，系统地开展蝠鲼水动力特性及柔性机制影响研究，重点解决大变形条件下流固耦合问题数值计算方法、仿生柔性翼水动力特性实验测试方法、蝠鲼滑翔状态下及拍动推进状态下主被动柔性变形影响机制及高效推进机理等关键科学问题。该项目将为为高性能仿生柔体潜水器的研制和应用提供理论基础和技术储备。

随着我国走进深海的国家战略，对水下环境监测，科学考察等任务的需求持续增高，水下航行器作为一种可长时间在水下自主航行的智能小型装备，在军用和民用领域发挥着越来越重要的作用，为了进一步提高水下航行器的性能，采用仿生手段已成为国际上的热点。蝠鲼采用胸鳍拍动模式作为其推进的主要方式，具有较高的游动效率以及机动性能，其胸鳍具有较大的展弦比，非常适合作为仿生航行器的仿生目标，但由于其胸鳍的运动模式为一种复杂的耦合柔性变形，其高效推进以及机动的水动力机理尚未探明，因此，开展蝠鲼在各个游动状态下的水动力特性研究对于仿生航行器的研制具有重要的意义。.项目首先记录了蝠鲼在不同游动状态下胸鳍鳍尖、头部以及尾部的轨迹，并通过统计学分析得出不同运动参数之间的内在联系，建立了蝠鲼的三维模型和运动方程；基于浸入边界法（IBM）和球函数气体动理学格式（SGKS），建立了高效率高精度的大变形条件下流固耦合问题数值计算方法，开展了蝠鲼在主动推进状态、转弯状态、滑翔状态下的水动力特性数值研究，获得了展向/弦向柔性分布、频率、振幅等对主动推进、机动转弯时流体动力的影响规律，揭示了蝠鲼通过改变胸鳍变形模式提升机动性的机制；研制了一套仿蝠鲼样机，建立合理的形变测量方法、流场测试方法以及流体动力测量方法，最后在拖曳水池中开展滑翔状态和拍动推进状态下的系列水动力特性实验，从实验角度获得蝠鲼水动力特性，分析流动控制机理以及柔性机制影响规律，获得胸鳍机构运动参数、柔性分布对胸鳍水动力性能的影响。本项目较好地对蝠鲼不同状态下的行为特征作出了水动力学的解释，通过对流场结构的分析得出了蝠鲼采用不同胸鳍柔性变形进行流动控制的规律，揭示了水中生物高效游动、高机动性的水动力机理，为高性能仿生柔体潜水器的研制和应用提供理论基础和技术储备。