魚群和鳥群遷徙運(yùn)動(dòng)中的流體力學(xué)機(jī)理研究.pdf

1、魚群或鳥群保持規(guī)律隊(duì)形的遷徙運(yùn)動(dòng)是自然界中常見的現(xiàn)象，探究其中的流體力學(xué)原理，不僅有利于進(jìn)一步了解魚群和鳥類集群運(yùn)動(dòng)的內(nèi)在機(jī)制，而且有利于仿生飛行器和水下航行器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和隊(duì)形優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文利用浸入邊界方法，數(shù)值分析了魚群或鳥群遷徙運(yùn)動(dòng)中的流體力學(xué)機(jī)理。
　　本文提出了側(cè)向自由的彈性細(xì)絲模型，將其置于撲翼下游，探究了細(xì)絲在不同渦街（卡門渦街、平直渦街、反卡門渦街）中的運(yùn)動(dòng)特性及其流場結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了細(xì)絲存在四種運(yùn)動(dòng)模式：細(xì)絲在渦街

2、的外側(cè)往復(fù)振動(dòng)，細(xì)絲穿梭于渦核之間往復(fù)振動(dòng)，細(xì)絲被夾在渦帶之間往復(fù)振動(dòng)，細(xì)絲微弱振動(dòng)。在反卡門渦街中，細(xì)絲總是會(huì)在渦街的外側(cè)振動(dòng)，這是因?yàn)榱鲌鰝?cè)向誘導(dǎo)速度太大所致，此時(shí)，細(xì)絲受到的阻力明顯小于細(xì)絲在渦街里面時(shí)的阻力，這種運(yùn)動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的斯特勞哈爾數(shù)為St=0.3~0.4，在魚群具有最佳推進(jìn)效能所對(duì)應(yīng)的斯特勞哈爾數(shù)St=0.2~0.4范圍內(nèi)；在大部分的卡門渦街中，細(xì)絲穿梭于渦核之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)模式與游魚躲在障礙物下游的行為相似；在含有

3、渦帶的渦街中，細(xì)絲會(huì)延長渦街中原有的渦帶，且細(xì)絲被兩側(cè)渦帶夾在中間上下擺動(dòng)，上游撲翼的尾渦脫落被延遲在細(xì)絲尾部脫落，此時(shí)上游撲翼的阻力減小；在密集的卡門渦街（相鄰渦核間距?。┲?，細(xì)絲只能產(chǎn)生微弱振動(dòng)（振幅小于細(xì)絲長度5％），彈性細(xì)絲沒有渦街脫落，流場中原有渦街被破壞，此時(shí)上游撲翼阻力明顯減小（最高減阻達(dá)14%）。
　　本文構(gòu)建了傾斜布置（后者位于前者斜后方）和三角形布置的多個(gè)擺動(dòng)水翼模型，數(shù)值分析了縱向和側(cè)向間距(Dx、Dy)對(duì)魚

4、群推進(jìn)特性及流場結(jié)構(gòu)的影響，得到了總體推進(jìn)效能最佳的隊(duì)形。研究表明，總體推進(jìn)效能最優(yōu)的隊(duì)形布置方式與個(gè)體的運(yùn)動(dòng)有關(guān)：兩條魚同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，Dx=0.5且Dy=0.3的傾斜隊(duì)形具有最佳的總體推進(jìn)效率；三條魚同步運(yùn)動(dòng)時(shí)，Dx=0.75的倒三角隊(duì)形具有最佳總體推進(jìn)效能；異步運(yùn)動(dòng)時(shí)，并列隊(duì)形(Dx=0.0)具有最佳的推進(jìn)效能。另外，當(dāng)縱向間距小于個(gè)體身長時(shí)，后面游魚的推力和推進(jìn)效率優(yōu)于前面游魚；當(dāng)縱向間距大于個(gè)體身長時(shí)，前面游魚的推力和推進(jìn)效率會(huì)優(yōu)

5、于后面游魚。
　　本文構(gòu)建了并列布置的雙撲翼模型，數(shù)值研究了雙翼對(duì)稱振動(dòng)的振幅A、頻率f、間距L和攻角α等參數(shù)對(duì)其推進(jìn)特性和流場結(jié)構(gòu)的影響。研究表明，在相同的參數(shù)空間下，相對(duì)于單翼振動(dòng)，雙翼對(duì)稱振動(dòng)中單個(gè)機(jī)翼會(huì)產(chǎn)生更大的推力、更強(qiáng)的渦和射流，具有更好的推進(jìn)性能,并且振幅或頻率越大，間距越小，雙翼的推進(jìn)優(yōu)勢越明顯。這是因?yàn)閷?duì)稱振動(dòng)的雙翼能夠產(chǎn)生更大的上下翼面壓力差，進(jìn)而產(chǎn)生更大的推力和推進(jìn)效率。此外，當(dāng)斯特勞哈爾數(shù)St≥1.0時(shí)(S

6、t=fA/UL)，雙翼會(huì)產(chǎn)生混亂的尾渦結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)槌霈F(xiàn)了尾渦倒吸現(xiàn)象，即已經(jīng)在合攏運(yùn)動(dòng)末期脫落的漩渦會(huì)在打開運(yùn)動(dòng)中被吸入雙翼間，并與新形成的漩渦融合，從而產(chǎn)生了混亂的渦街結(jié)構(gòu)。
　　本文利用浸入邊界方法，數(shù)值模擬了魚群和鳥群遷徙運(yùn)動(dòng)中的不可壓粘性流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)了彈性細(xì)絲的運(yùn)動(dòng)與周圍流場之間的相互作用關(guān)系，得到了隊(duì)形參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)與群體推進(jìn)效能之間的關(guān)系，并根據(jù)流場結(jié)構(gòu)的變化解釋了個(gè)體之間的流—固耦合作用機(jī)理，為進(jìn)一步理解魚群和鳥群遷