魚類整體遊動特性和流動控制機理研究

《魚類整體遊動特性和流動控制機理研究》是依託中國科學技術大學，由陸夕雲擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：魚類整體遊動特性和流動控制機理研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：陸夕雲
• 依託單位：中國科學技術大學

中文摘要

本項目以魚類遊動為研究對象，以活體觀測、實驗測量、數值模擬和理論分析為主要手段，探索魚類的整體遊動特性和流動控制的基本原理。這是一個以流體力學為先導的多學科交叉的重要研究課題，研究內容主要包括：⑴ 研究典型魚體運動鏈的一體化問題，探索流體力學、魚體動力學和魚體結構力學相互交叉的複雜流動控制機理和特徵；⑵ 研究魚體和魚鰭(如背鰭、胸鰭和尾鰭等)的整體流動特性，探討魚鰭作用下的流動控制和高效推進的力學機制；⑶ 研究魚類集群自主遊動中的複雜流動干擾，探討魚類通過流動控制增強推進效率的內在物理機制。通過研究，初步建立起遊動生物作為一類自主運動生命機器的力學設計概念及其運動鏈的相關理論，揭示魚類遊動的若干重要流體力學原理，特別是在魚類整體遊動特性和流動控制方面有創新性的發現和機理解釋。研究結果將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

本項目以魚類遊動為研究對象，以活體觀測、實驗測量、數值模擬和理論分析為主要手段，旨在探索魚類的整體遊動特性和流動控制的基本原理。已圓滿地完成了計畫書中的內容，主要進展和成果歸結為如下五個方面： 在魚體力學性能測試及其運動鏈一體化的生物力學研究方面，系統地測量了鯽魚的肌電、材料本構和形態學參量，給出了生物材料簡化模型和鯽魚“數字魚”模型，提出了魚游運動鏈中“肌肉-魚體-流體”的整體模化方法，探索了魚類在巡遊中機械能的產生、傳遞和耗散規律，發展了運動鏈末端流體力學與魚體動力學的耦合計算方法。 在基於力學性能測試的運動特性和流固耦合機理研究方面，探討了魚類C型快速逃逸行為的動力學機理，分析了魚類自主推進的最佳化特性，建立了模擬流體外力和魚體肌肉收縮產生內力的簡化模型並分析了魚體主動遊動的性能，揭示了波狀擺動柔性體和被動拍動尾鰭整體模式的動力學特性。 在魚體及魚鰭的推進特性和流動控制研究方面，實現了魚類巡遊運動學參數測量，揭示了魚類遊動和柔性板擺動之間的相似性，建立了“集中扭轉柔性”的簡化模型，探討了具有扭轉柔性拍動平板的自主推進特性，系統地研究了柔性體在來流中流固耦合回響特性，發展了一類模擬柔性體的流固耦合計算方法。 在魚類集群遊動中的複雜流動干擾和流動控制研究方面，實驗觀察並分析了斑馬魚群時的統計結構特徵，系統地研究了柔性體在物體前後的運動模式和減阻效應，揭示了魚類群游時並聯拍動尾鰭相互作用和前後排列魚鰭間相互作用的動力學特性，探討了多個並排柔性體的耦合擺動模態及動力學特性。 在生物推進機理及其旋渦動力學特性研究方面，定量測試了渦環形成過程的速度場和渦量場，揭示了渦環形成過程的結構、輸運、卷吸和飽和等特性，分析了尾鰭形狀和尾跡渦結構對推進特性的影響，提出了依據物體周圍有限流場的運動學參量定量確定功耗特性的渦動力學方法，給出了基於物體近尾跡渦環參數表述的運動物體推力和效率的計算公式。 上述主要研究成果已發表在 J. Fluid Mech.、Phys. Fluids、Phys. Rev. E、J. Comput. Phys.和Sci. China等學術期刊，一些成果已得到國際同行好的反響，部分研究工作還入選2012年度《國家自然科學基金資助項目優秀成果選編》。通過該項目的實施，在國內外學術合作交流與人才培養方面也取得好的成效。