鱼形仿生柔性翼结构设计及优化

秦伟伟， 左新龙， 张 建， 蒋苏豫， 唐文献

(江苏科技大学机械工程学院， 镇江 212100)

鱼类经过数十亿年的自然选择，进化出了多种多样的种类，拥有着多样式游动方式。这些种类与自己相匹配的游动方式相结合，使得它们可以在水里灵动地游动。鱼类的推进效率可达 80%。金枪鱼、海豚或鲸等采用月牙尾推进模式，其游速最高可达到20 km，且身体类似刚性结构，可以长时间低能耗地远距离迁徙[1]。月牙尾的拍动形成一个高效的推进器，类似一个振动的机翼。再如，黄斑狗鱼，这种鱼可以在非常短的时间内产生20g(g为重力加速度)的加速度；还有黄鳍金枪鱼在捕食过程中瞬时速度可以达到40多节[2]。因此，鱼类等水生生物这样优异的游动能力吸引了大批学者的目光。然而，中外关于水下柔性翼的研究相对较晚,现在的主要研究集中在水生物的波动和扑动推进方式,对水下柔性翼的推动机制研究不够深入。对于靠尾鳍摆动推进的鱼类,其推力是靠尾鳍摆动产生的,学者们已经发现了尾鳍的涡流场会极大地影响鱼类的推进性能。Lighthill[3]将航空领域的“细长体理论”引入到鱼类涌动的流体力学分析中，提出适用于身体侧向波动的“非稳态细长体理论”，建立了鲹科模式推进的数学模型；艾贤祖等[4]研究了摆幅对金枪鱼尾鳍推进性能的影响，验证了IBM(immersed boundary method)方法模拟尾翼非定常流动的有效性，实现了仿金枪鱼尾鳍在流场中的复合运动进行模拟，获取了尾鳍表面压力分布及尾涡涡量的分布，得到不同尾鳍摇摆幅度对推力系数及效率的影响差别，提取了利于提高推进性能的摆幅影响规律；……