座頭鯨鰭肢前緣結節的非定常流動控制機理研究

《座頭鯨鰭肢前緣結節的非定常流動控制機理研究》是依託上海交通大學，由胡文蓉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：座頭鯨鰭肢前緣結節的非定常流動控制機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：胡文蓉
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

本項目以數值模擬和理論分析為主要手段，研究座頭鯨鰭肢前緣結節的非定常流動控制基本原理。這是一項以流體力學為先導的多學科交叉的新研究課題，且具有重要學術價值和高技術套用前景。研究內容主要包括：（1）在鰭肢揮拍運動中，前緣結節的非定常流動控制機理；（2）在鰭肢變形過程中，前緣結節的非定常流動控制機理；（3）鰭肢在轉彎過程的非周期性運動中，前緣結節的非定常流動控制機理。通過研究，揭示座頭鯨鰭肢前緣結節在非定常流中的流動控制原理，為具有國家重大需求的相關仿生技術提供新概念和新原理。

結題摘要

座頭鯨具有高超的轉彎本領，其胸鰭的前緣結節能夠提高升力、延緩失速，在轉彎機動中起著重要作用。揭示座頭鯨鰭肢前緣結節在非定常流中的流動控制原理，可以用於各種控制面的設計，為具有國家重大需求的相關仿生技術提供新概念和新原理。目前，在鰭肢勻速運動中前緣結節的流動控制機理仍存在爭議，對於非定常運動情況下前緣結節流動控制的研究還很少見。本項目研究了座頭鯨鰭肢的非定常流動控制機理，包括前緣結節在鰭肢周期性揮拍和柔性變形、以及轉彎機動的非周期性運動中的非定常流動控制機理，並探討了沉浮翼推力的來源，提出了波狀前緣以及波動變形的動態失速控制方法。 研究結果表明，當鰭肢作周期性揮拍和柔性變形時，無論是採用推力模式或升力模式的運動方式，前緣結節對流體動力性能都無增益。對於推力問題，前緣結節對推力的影響很小，儘管前緣渦有所改變，但其尾跡區的反卡門渦街未見明顯變化；對於升力問題，在大攻角範圍內，下拍過程中前緣結節能增加背風區旋渦的穩定性，上揮過程中前緣結節能加速背風區渦系的抬起和耗散。在轉彎機動中，前緣結節能夠顯著改善流體動力性能。當鰭肢在初期做翻轉運動時，前緣結節能增強背風區旋渦的附著，增加升力；在後期勻速揮動時，前緣結節產生的流向渦和法向渦能增加邊界層穩定性，增強上翼面的低壓區，增加升力、延緩失速。綜上所述，前緣結節的流動控制效果與翼的運動方式密切相關，僅在翻轉運動和勻速運動時能有效地提高升力，而在周期性拍動中，並不能提高升力或著推力，這與自然界中僅發現依靠胸鰭非周期運動實現轉彎的座頭鯨的胸鰭具有前緣結節，而其它依靠周期拍動產生升力或推力的水生動物的鰭並未出現類似前緣結節突起的現象一致，符合自然選擇的規律。