《周期性激勵對柔性板流致振動的控制機制研究》是依託中國科學技術大學，由賈來兵擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：周期性激勵對柔性板流致振動的控制機制研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：賈來兵
- 依託單位：中國科學技術大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
柔性板的流致振動研究是飛行與遊動生物力學研究中的重要內容，由於其重要的學術價值，近年來受到國際學術界的廣泛關注。本項目以流體中的柔性板為研究對象，探索周期性激勵對柔性板流致振動的控制機制，這是一個具有創新性的課題。通過將實驗觀測與數值模擬相結合，得到周期性激勵下柔性板的擺動形態與模式及其周圍流場的速度、壓力和渦量分布規律，分析柔性板在流體中的回響與外加周期性激勵的波形、振幅和頻率等參數之間的關係，理清柔性板與流體交換能量的途徑，特別是柔性板能最大程度地從流場中獲得能量的條件。在此基礎上建立合理的物理模型，揭示周期性激勵對柔性板擺動模式的控制因素及控制機制。研究成果有助於深入理解生物飛行和遊動的力學機理，對仿生飛行器和機器魚的研究提供一定理論基礎。此外探索柔性板與流體間能量交換的方式，還可以為研究開發新型綠色能源開闢新的途徑。
結題摘要
自然界中以昆蟲及鳥類為代表的飛行動物和以魚類及鯨類為代表的水生動物在億萬年的進化過程中，通過優勝劣汰的自然選擇，發展出了高效機動的飛行和遊動機制，其中所蘊含的力學和生物學原理不斷激發起人們探索的熱情。本項目所涉及的周期性激勵下柔性板流致振動現象研究是近年來在生物推進研究的基礎上發展起來的。周期性激勵可以分為兩種，一種是經由周期性變化的流場對柔性板沿體長方向施加周期性變化的壓力；另一種是對柔性板上單個或多個點施以給定的周期性位移或彎矩。前者對應於在渦街中運動的魚體，後者則反映了昆蟲揮翅及魚類肌肉收縮的作用。本項目以流體中的柔性板為研究對象，通過實驗測量和數值模擬研究了兩種周期性激勵對柔性板流致振動的控制機制。具體研究工作包括：1. 建立了不同形狀和展長比矩形和梯形柔性板的物理模型，得到了柔性板擺動失穩條件以及失穩的臨界速度與柔性板外形之間的關係，這為後續數值模擬工作提供了基本模型；2. 建立了一套在風洞中針對柔性板擺動問題的實驗測力系統，為研究周期性激勵下柔性板受力提供了工具；3. 設計測量魚體黏彈性材料性質的彎曲變形試驗機並建立魚體黏彈性模型，測得魚體材料的儲能模量、耗散模量、滯後相位角等黏彈性力學參數，為數值模擬和能量分析提供必要參數；4. 研究了圓盤起動過程中的流體輸運，首次發現了圓盤起動渦環的產生髮展到失穩破碎的三個階段；5. 編制了柔性板擺動問題的流固耦合數值模擬程式，用於對周期性激勵下柔性板振動的數值模擬工作；在這些工作的基礎上，我們針對兩種周期性激勵下的柔性板擺動的具體問題開展了研究工作，具體包括 6. 研究了魚群尾跡中的魚體運動規律；7.通過使用前述研究中所建立的測力系統測量不同縱橫間距下兩柔性板受力，發現在不同風速下柔性板的上下游阻力分布規律；8. 在肥皂膜水洞中研究在均勻來流中的柔性板對外部激勵的回響，實驗發現在外激勵的作用下，柔性板的振幅均有顯著增加，並且在均勻流中靜止的柔性板也會在外激勵的作用下起振，與流體發生能量交換。通過這一系列的研究工作，我們發現周期性外激勵可以大幅增強柔性板與環境流體間的能量交換過程。通過對流動中的柔性板施加小幅度周期性擾動，柔性板可以從流體中獲得更多的能量。周期性激勵對柔性板流致振動的控制研究不僅旨在揭示生物推進中的奧秘，還能為設計壓電或機械裝置利用柔性板擺動將水能轉換為電能提供指導，從運動流體中獲取清潔能源。
