自然界中的大多数鱼类通过波状摆动的方式实现推进, 这是动态变形的鱼体和周围流体相互作用的结果, 研究推进中流体对鱼体变形的响应不仅可以增强对波状推进的认识, 还可以为流动控制提供依据. 以鲹科模式推进的仿生二维模型为研究对象, 通过数值计算获得鱼体波动产生的流场以及鱼体受到的流体力数据. 基于虚功率原理, 将鱼体受力分解为4部分, 分别是鱼体边界变速运动的瞬时贡献、流场中流体旋转和应变速率相对大小的贡献、壁面剪切应力的类摩阻分量和壁面摩阻分量. 结果表明, 当鱼体波状摆动产生推力时, 鱼体边界变速运动是主要的正推力来源, 并且该项80%的推力贡献来源于20%的鱼尾部分的边界变速运动. 鱼尾两侧边界层中的流体旋转和应变速率的相对大小和壁面摩阻对推力都是负贡献. 对于低雷诺数的情况, 流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献低于壁面摩阻的负贡献, 而在高雷诺数的情况下, 流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献强于壁面摩阻的负贡献. 壁面类摩阻分量相对于其他3项总是较小的. 结合标度律分析, 在摆动推进的标度关系中, 与雷诺数无关的推力部分是由边界的变速运动、流场中流体旋转和应变速率共同提供, 且流体旋转和应变速率也贡献了摆动推力中与雷诺数有关的部分, 而这一部分接近类摩阻和摩阻的一半, 同时, 类摩阻和摩阻还提供了常阻力分量.
2023, 55(7): 1439-1450.
doi:10.6052/0459-1879-23-076
黄恺俊, 余永亮. 基于虚功率原理的鲹科鱼类波状推进分析. 力学学报, 2023, 55(7): 1439-1450. doi: 10.6052/0459-1879-23-076.
