魚群和鳥群遷徙運動中的流體力學機理研究.pdf

1、魚群或鳥群保持規(guī)律隊形的遷徙運動是自然界中常見的現象，探究其中的流體力學原理，不僅有利于進一步了解魚群和鳥類集群運動的內在機制，而且有利于仿生飛行器和水下航行器的結構優(yōu)化設計和隊形優(yōu)化設計。本文利用浸入邊界方法，數值分析了魚群或鳥群遷徙運動中的流體力學機理。
　　本文提出了側向自由的彈性細絲模型，將其置于撲翼下游，探究了細絲在不同渦街（卡門渦街、平直渦街、反卡門渦街）中的運動特性及其流場結構，發(fā)現了細絲存在四種運動模式：細絲在渦街

2、的外側往復振動，細絲穿梭于渦核之間往復振動，細絲被夾在渦帶之間往復振動，細絲微弱振動。在反卡門渦街中，細絲總是會在渦街的外側振動，這是因為流場側向誘導速度太大所致，此時，細絲受到的阻力明顯小于細絲在渦街里面時的阻力，這種運動模式對應的斯特勞哈爾數為St=0.3~0.4，在魚群具有最佳推進效能所對應的斯特勞哈爾數St=0.2~0.4范圍內；在大部分的卡門渦街中，細絲穿梭于渦核之間往復運動，這種運動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，細絲會延長渦街中原有的渦帶，且細絲被兩側渦帶夾在中間上下擺動，上游撲翼的尾渦脫落被延遲在細絲尾部脫落，此時上游撲翼的阻力減小；在密集的卡門渦街（相鄰渦核間距小）中，細絲只能產生微弱振動（振幅小于細絲長度5％），彈性細絲沒有渦街脫落，流場中原有渦街被破壞，此時上游撲翼阻力明顯減小（最高減阻達14%）。
　　本文構建了傾斜布置（后者位于前者斜后方）和三角形布置的多個擺動水翼模型，數值分析了縱向和側向間距(Dx、Dy)對魚

4、群推進特性及流場結構的影響，得到了總體推進效能最佳的隊形。研究表明，總體推進效能最優(yōu)的隊形布置方式與個體的運動有關：兩條魚同步運動時，Dx=0.5且Dy=0.3的傾斜隊形具有最佳的總體推進效率；三條魚同步運動時，Dx=0.75的倒三角隊形具有最佳總體推進效能；異步運動時，并列隊形(Dx=0.0)具有最佳的推進效能。另外，當縱向間距小于個體身長時，后面游魚的推力和推進效率優(yōu)于前面游魚；當縱向間距大于個體身長時，前面游魚的推力和推進效率會優(yōu)

5、于后面游魚。
　　本文構建了并列布置的雙撲翼模型，數值研究了雙翼對稱振動的振幅A、頻率f、間距L和攻角α等參數對其推進特性和流場結構的影響。研究表明，在相同的參數空間下，相對于單翼振動，雙翼對稱振動中單個機翼會產生更大的推力、更強的渦和射流，具有更好的推進性能,并且振幅或頻率越大，間距越小，雙翼的推進優(yōu)勢越明顯。這是因為對稱振動的雙翼能夠產生更大的上下翼面壓力差，進而產生更大的推力和推進效率。此外，當斯特勞哈爾數St≥1.0時(S

6、t=fA/UL)，雙翼會產生混亂的尾渦結構，這是因為出現了尾渦倒吸現象，即已經在合攏運動末期脫落的漩渦會在打開運動中被吸入雙翼間，并與新形成的漩渦融合，從而產生了混亂的渦街結構。
　　本文利用浸入邊界方法，數值模擬了魚群和鳥群遷徙運動中的不可壓粘性流動，發(fā)現了彈性細絲的運動與周圍流場之間的相互作用關系，得到了隊形參數和運動參數與群體推進效能之間的關系，并根據流場結構的變化解釋了個體之間的流—固耦合作用機理，為進一步理解魚群和鳥群遷