鄧見教授課題組論文發(fā)表在Journal of Fluid Mechanics

浙江大學(xué)鄧見教授團隊發(fā)表論文：仿生拍翼在密度分層流體中的最佳斯特勞哈爾數(shù)

研究背景：基于對自然界中鳥類和魚類等生物的觀察，仿生拍動推進(jìn)近年來逐漸發(fā)展為流體力學(xué)領(lǐng)域中一個重要的研究方向。仿生拍動研究不僅能夠促進(jìn)流體力學(xué)、生物力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展，而且可以推動小型、環(huán)保、高效的飛行器和航行器的研發(fā)。目前大多數(shù)仿生拍動研究都局限于密度恒定的均質(zhì)流場環(huán)境。然而，由于溫度、懸浮顆粒、鹽度等因素分布不均勻的原因，大氣、海洋、湖泊等環(huán)境的密度本質(zhì)上呈分層分布。尤其是，海洋中存在著大量密度梯度較大的密度躍層。已有研究表明，結(jié)構(gòu)物在密度分層環(huán)境中的水動力學(xué)特征和尾跡結(jié)構(gòu)與均質(zhì)流場結(jié)果相比有著顯著區(qū)別。

自然界中采用拍動推進(jìn)的生物普遍在斯特勞哈爾數(shù)0.2 < St < 0.4的范圍內(nèi)效率達(dá)到最高。受這一現(xiàn)象啟發(fā)，本論文基于Boussinesq假定求解Navier–Stokes方程和密度輸運方程，對同時做俯仰和升沉運動的拍翼在密度分層流中的推進(jìn)性能開展了一系列數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，密度分層效應(yīng)可以有效提高拍翼的推力和效率。而且，拍翼在密度分層流中的最佳斯特勞哈爾數(shù)St_m與表征分層強度的弗勞德數(shù)Fr成反比關(guān)系。在強分層環(huán)境下，密度分層流的St_m遠(yuǎn)大于均質(zhì)流的典型范圍0.2 < St < 0.4。該論文通過對比數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和理論擬合結(jié)果，揭示了拍翼的拍動頻率與密度分層流體的浮力頻率之間的共振機制是導(dǎo)致上述現(xiàn)象的主要原因。此外，論文對拍翼誘導(dǎo)的流場特征進(jìn)行了深入的研究，并在參數(shù)空間(St, Fr)內(nèi)描繪出了尾跡分布圖。結(jié)果顯示，與均質(zhì)流中的尾跡相比，拍翼在密度分層流中的流場結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為不同強度、不同范圍的內(nèi)波結(jié)構(gòu)。論文中的數(shù)值模擬結(jié)果與經(jīng)典的Lighthill理論吻合良好，而且捕捉到了傳統(tǒng)線性理論無法預(yù)測的內(nèi)波相互作用等非線性現(xiàn)象。該論文研究成果可為仿生拍翼推進(jìn)在密度分層等復(fù)雜流場環(huán)境中的設(shè)計和運行提供啟示。

圖4. (a)拍翼推進(jìn)效率在參數(shù)空間(St, Fr)的分布云圖；(b)仿生拍動推進(jìn)在不同密度分層強度下的最佳斯特勞哈爾數(shù)，散點表示數(shù)值模擬結(jié)果，實線表示理論擬合結(jié)果，研究表明最佳斯特勞哈爾數(shù)St_m與弗勞德數(shù)Fr成反比關(guān)系.

圖21. 仿生拍翼在強分層流動條件下誘導(dǎo)的渦量場：(a)-(f)對應(yīng)不同斯特勞哈爾數(shù)St.

該研究成果以“Optimal Strouhal numbers for oscillatory propulsion in density stratified fluids”為題發(fā)表在流體力學(xué)頂刊Journal of Fluid Mechanics。浙江大學(xué)航空航天學(xué)院博士后王佳東是該文第一作者，鄧見教授是該論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學(xué)基金資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1017/jfm.2025.283