中文摘要：

柔性板的流致振动研究是飞行与游动生物力学研究中的重要内容，由于其重要的学术价值，近年来受到国际学术界的广泛关注。本项目以流体中的柔性板为研究对象，探索周期性激励对柔性板流致振动的控制机制，这是一个具有创新性的课题。通过将实验观测与数值模拟相结合，得到周期性激励下柔性板的摆动形态与模式及其周围流场的速度、压力和涡量分布规律，分析柔性板在流体中的响应与外加周期性激励的波形、振幅和频率等参数之间的关系，理清柔性板与流体交换能量的途径，特别是柔性板能最大程度地从流场中获得能量的条件。在此基础上建立合理的物理模型，揭示周期性激励对柔性板摆动模式的控制因素及控制机制。研究成果有助于深入理解生物飞行和游动的力学机理，对仿生飞行器和机器鱼的研究提供一定理论基础。此外探索柔性板与流体间能量交换的方式，还可以为研究开发新型绿色能源开辟新的途径。

结论摘要：

自然界中以昆虫及鸟类为代表的飞行动物和以鱼类及鲸类为代表的水生动物在亿万年的进化过程中，通过优胜劣汰的自然选择，发展出了高效机动的飞行和游动机制，其中所蕴含的力学和生物学原理不断激发起人们探索的热情。本项目所涉及的周期性激励下柔性板流致振动现象研究是近年来在生物推进研究的基础上发展起来的。周期性激励可以分为两种，一种是经由周期性变化的流场对柔性板沿体长方向施加周期性变化的压力；另一种是对柔性板上单个或多个点施以给定的周期性位移或弯矩。前者对应于在涡街中运动的鱼体，后者则反映了昆虫挥翅及鱼类肌肉收缩的作用。本项目以流体中的柔性板为研究对象，通过实验测量和数值模拟研究了两种周期性激励对柔性板流致振动的控制机制。具体研究工作包括1. 建立了不同形状和展长比矩形和梯形柔性板的物理模型，得到了柔性板摆动失稳条件以及失稳的临界速度与柔性板外形之间的关系，这为后续数值模拟工作提供了基本模型；2. 建立了一套在风洞中针对柔性板摆动问题的实验测力系统，为研究周期性激励下柔性板受力提供了工具；3. 设计测量鱼体黏弹性材料性质的弯曲变形试验机并建立鱼体黏弹性模型，测得鱼体材料的储能模量、耗散模量、滞后相位角等黏弹性力学参数，为数值模拟和能量分析提供必要参数；4. 研究了圆盘起动过程中的流体输运，首次发现了圆盘起动涡环的产生发展到失稳破碎的三个阶段；5. 编制了柔性板摆动问题的流固耦合数值模拟程序，用于对周期性激励下柔性板振动的数值模拟工作；在这些工作的基础上，我们针对两种周期性激励下的柔性板摆动的具体问题开展了研究工作，具体包括 6. 研究了鱼群尾迹中的鱼体运动规律；7.通过使用前述研究中所建立的测力系统测量不同纵横间距下两柔性板受力，发现在不同风速下柔性板的上下游阻力分布规律；8. 在肥皂膜水洞中研究在均匀来流中的柔性板对外部激励的响应，实验发现在外激励的作用下，柔性板的振幅均有显著增加，并且在均匀流中静止的柔性板也会在外激励的作用下起振，与流体发生能量交换。通过这一系列的研究工作，我们发现周期性外激励可以大幅增强柔性板与环境流体间的能量交换过程。通过对流动中的柔性板施加小幅度周期性扰动，柔性板可以从流体中获得更多的能量。周期性激励对柔性板流致振动的控制研究不仅旨在揭示生物推进中的奥秘，还能为设计压电或机械装置利用柔性板摆动将水能转换为电能提供指导，从运动流体中获取清洁能源。