三維拍動板推進特性的數值研究及理論分析.pdf

1、三維拍動推進問題的研究對認識生物飛行和游動以及優(yōu)化工程設計有著重要意義。本文采用數值模擬和理論分析的方法對這一問題進行了研究，探討了生物運動中環(huán)狀渦結構的基本物理機理，主要工作和研究成果如下：
　　 (1)用內置邊界-格子波爾茲曼方法數值模擬了不同形狀的三維拍動平板的推進問題，并特別關注了魚類分叉尾鰭形狀的影響。研究表明，平板形狀顯著地影響拍動推進的動力學特征和尾跡渦結構，而分叉構型有利于提高生物的推進性能。本文中所預測的結果與

2、生物飛行和游動時觀測到的一些現象和規(guī)律相符合，有助于更好地理解生物運動的基本機理。
　　 (2)通過導數矩理論分析了尾跡渦結構與平板動力學特征之間的關聯。研究表明，物體所受到的力及力矩直接與流場中渦結構的沖量及沖量矩的時間變化率相關，消耗的功率由流場中動能變化及能量的耗散所決定。平板受力及功耗主要源于平板邊界層以及與邊界層相連的渦結構的貢獻。當渦結構從平板上脫落之后，其沖量變化很小，動能的降低則幾乎完全由自身的粘性耗散引起，因此

3、對平板受力和功耗的直接貢獻較小。尾跡中的渦結構會影響平板邊界層的穩(wěn)定性及渦脫瀉過程，從而間接地影響平板的動力學特征。
　　 (3)對尾跡渦結構的形成及演化提出了粘性渦環(huán)模型，并利用該模型對數值模擬得到的流場結果進行了分析。研究表明，理想粘性渦環(huán)理論可以合理地描述拍動平板形成的尾跡渦結構的演化，而平板運動過程中傳遞給流場的能量滿足特定的關系，并且與理論預測相符很好。這一發(fā)現對深刻認識生物的飛行和游動有著重要意義，進而還可以給出生物