鱼类整体游动特性和流动控制机理研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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鱼类整体游动特性和流动控制机理研究

项目名称：鱼类整体游动特性和流动控制机理研究
项目类别：重点项目
批准号：10832010
申请代码：A0204
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2009-01-01-2012-12-31

项目负责人：陆夕云
负责人职称：教授
依托单位：中国科学技术大学
批准年度：2008

中文摘要：

本项目以鱼类游动为研究对象，以活体观测、实验测量、数值模拟和理论分析为主要手段，探索鱼类的整体游动特性和流动控制的基本原理。这是一个以流体力学为先导的多学科交叉的重要研究课题，研究内容主要包括⑴ 研究典型鱼体运动链的一体化问题，探索流体力学、鱼体动力学和鱼体结构力学相互交叉的复杂流动控制机理和特征；⑵ 研究鱼体和鱼鳍(如背鳍、胸鳍和尾鳍等)的整体流动特性，探讨鱼鳍作用下的流动控制和高效推进的力学机制；⑶ 研究鱼类集群自主游动中的复杂流动干扰，探讨鱼类通过流动控制增强推进效率的内在物理机制。通过研究，初步建立起游动生物作为一类自主运动生命机器的力学设计概念及其运动链的相关理论，揭示鱼类游动的若干重要流体力学原理，特别是在鱼类整体游动特性和流动控制方面有创新性的发现和机理解释。研究结果将为具有国家重大需求的相关仿生技术提供新概念和新原理。

中文主题词：流体力学；生物运动力学；复杂流动；流动控制；鱼类游动

英文摘要：

Fluid dynamics；biohydrodynamics；complex flow；flow control；fish swimming

英文主题词： Fluid dynamics；biohydrodynamics；complex flow；flow control；fish swimming

结论摘要：

本项目以鱼类游动为研究对象，以活体观测、实验测量、数值模拟和理论分析为主要手段，旨在探索鱼类的整体游动特性和流动控制的基本原理。已圆满地完成了计划书中的内容，主要进展和成果归结为如下五个方面在鱼体力学性能测试及其运动链一体化的生物力学研究方面，系统地测量了鲫鱼的肌电、材料本构和形态学参量，给出了生物材料简化模型和鲫鱼“数字鱼”模型，提出了鱼游运动链中“肌肉-鱼体-流体”的整体模化方法，探索了鱼类在巡游中机械能的产生、传递和耗散规律，发展了运动链末端流体力学与鱼体动力学的耦合计算方法。在基于力学性能测试的运动特性和流固耦合机理研究方面，探讨了鱼类C型快速逃逸行为的动力学机理，分析了鱼类自主推进的优化特性，建立了模拟流体外力和鱼体肌肉收缩产生内力的简化模型并分析了鱼体主动游动的性能，揭示了波状摆动柔性体和被动拍动尾鳍整体模式的动力学特性。在鱼体及鱼鳍的推进特性和流动控制研究方面，实现了鱼类巡游运动学参数测量，揭示了鱼类游动和柔性板摆动之间的相似性，建立了“集中扭转柔性”的简化模型，探讨了具有扭转柔性拍动平板的自主推进特性，系统地研究了柔性体在来流中流固耦合响应特性，发展了一类模拟柔性体的流固耦合计算方法。在鱼类集群游动中的复杂流动干扰和流动控制研究方面，实验观察并分析了斑马鱼群时的统计结构特征，系统地研究了柔性体在物体前后的运动模式和减阻效应，揭示了鱼类群游时并联拍动尾鳍相互作用和前后排列鱼鳍间相互作用的动力学特性，探讨了多个并排柔性体的耦合摆动模态及动力学特性。在生物推进机理及其旋涡动力学特性研究方面，定量测试了涡环形成过程的速度场和涡量场，揭示了涡环形成过程的结构、输运、卷吸和饱和等特性，分析了尾鳍形状和尾迹涡结构对推进特性的影响，提出了依据物体周围有限流场的运动学参量定量确定功耗特性的涡动力学方法，给出了基于物体近尾迹涡环参数表述的运动物体推力和效率的计算公式。上述主要研究成果已发表在 J. Fluid Mech.、Phys. Fluids、Phys. Rev. E、J. Comput. Phys.和Sci. China等学术期刊，一些成果已得到国际同行好的反响，部分研究工作还入选2012年度《国家自然科学基金资助项目优秀成果选编》。通过该项目的实施，在国内外学术合作交流与人才培养方面也取得好的成效。

成果综合统计