鲹科鱼类游动中的被动动力效应研究

本项目针对鱼类通过被动动力效应从外部流场吸收或回收能量来提高游动效率的事实，开展被动动力效应对鲹科鱼类提高游动效率的机理研究。以达到和维持某些典型游速为稳态游动约束，以鱼体游过静止流场或一些典型复杂流场后，传递给尾迹和周围水介质的动能最小化为目标，以鱼体运动学参数为搜索变量，以计算流体力学理论和仿真工具为主要手段，通过强制学习法寻求鱼体游动效率最佳的运动参数。根据所获得的效率最佳运动参数条件下的流场演化特征和鱼体的运动形态，研究鱼体和水介质之间的相互作用机制，定量揭示鱼体通过何种运动形态被动回收尾迹和周围流场中的动能。然后通过建立鱼体动力学模型，并基于效率最佳运动学模型，揭示鱼体通过主动运动而被动利用流场能量的内在机理，以及分析最佳游动特性下的鱼体主动驱动特性。最后通过实验验证各项理论研究结果的正确性。本项目的研究成果将为高效游动仿生机器鱼的研究提供运动学和动力学理论依据。

本项目核心研究内容和研究目标是揭示鲹科鱼类在游动过程中，如何通过调整身体和鱼鳍的运动形态、身体各部分的运动时序等参数，利用周围流场对鱼体的被动动力效应，使自身的能量消耗降至最低。为研究与开发新型水下推进器和高效推进技术提供理论依据。本项目取得的主要研究成果如下：.(1) 采用Kane方法建立了仿鱼机器人波状游动的动力学模型，得到了尾鳍摆动频率与推进速度，最大击水角与推进速度之间的关系；.(2) 提出了一种仿生原型自主游动的数值求解方法，采用该方法求解出了稳态游动速度、推进力和侧向力、功率消耗和推进效率等自主游动性能；.(3) 对鲔科仿生原型的常规自主游动进行了数值模拟，求解鱼体自静止状态起动，经逐渐加速并最终收敛到稳态游动的动力学过程；.(4) 研究了尾鳍展向柔性对提高仿生原型自主游动性能的影响机制，发现展向椭圆轨迹拥有最优的稳态游动速度、推进力和侧向力、功率消耗和推进效率性能，揭示了柔性尾鳍对提高仿生原型自主游动性能的作用机理；.(5) 揭示了鲔科仿生原型加速-滑行自主游动的机理，通过改变摆尾次数和占空比系统地研究了加速-滑行自主游动的运动学和力能学性能；.(6) 建立了鱼体运动与周围流体相互作用的动力学机理和动力学模型，采用分块耦合方法，将仿生原型游动的计算区域划分为鱼体域、流体域、鱼体/流体交界的动网格域，分别建立了控制方程；.(7) 研究了鱼体运动与周围流体相互作用机理，研究了身体运动行为对自主游动性能的影响机制以及尾鳍运动行为对常规自主游动性能的影响机制；.(8) 对串联结构下复合拍动翼的推进性能作了分析，获得了后拍动翼与前拍动翼之间的运动相位差对推进系数的影响；得到了复合翼能较好的利用流场能量时的位置关系；.(9) 在鱼体如何利用前鱼尾迹流场能量的研究中，分析了不同波长、频率、相位差、纵向间距和横向间距对后鱼游动性能的影响，揭示了后鱼如何可以有效的利用前鱼尾迹的能量，获得更大的推进力和更高的推进效率；.(10) 对仿生鳐鱼运动方程中的波动频率、波动振幅及相位角差进行了研究，揭示了这三种运动参数对其水动力学性能的影响。.基于上述研究成果本项目发表相关学术论文9篇，SCI收录1篇，EI收录8篇，其中5篇论文均发在《机械工程学报》上；培养已毕业博士研究生1人、硕士研究生5人；培养在读博士研究生3人、硕士研究生1人。