鰩魚近底運動數(shù)學(xué)建模
波動翼近底運動流線圖
近日，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所在海洋底棲生物的非定常壁面效應(yīng)研究方面取得了新進(jìn)展。相關(guān)研究成果于2022年發(fā)表在海洋工程領(lǐng)域頂級期刊Ocean Engineering。
目前，海洋機器人在機動性、能量效率等方面與水下生物仍有較大差距，開展水下生物驅(qū)動機理研究對于提升海洋機器人機動性、能效有積極意義。海底地形測繪、油氣資源勘探等近底作業(yè)任務(wù)是現(xiàn)代自主海洋機器人的重要應(yīng)用場景。研究表明，水下生物能夠充分利用外部環(huán)境提升自身能量效率。鰩魚在貼近海床時，會主動降低胸鰭振幅，調(diào)整魚體運動攻角，此行為能否提升鰩魚能量效率，是本研究關(guān)注的問題。由于在鰩魚撲翼游動過程中，魚體柔性翼與海床間距時刻發(fā)生變化，屬于非定常壁面效應(yīng)，為揭示鰩魚近底狀態(tài)下主動行為的內(nèi)在機理帶來極大挑戰(zhàn)。
沈陽自動化所海洋機器人前沿技術(shù)中心基于鰩魚近底游動關(guān)鍵形位特征，利用計算流體力學(xué)軟件構(gòu)建壁面附近二維柔性翼模型，開展非定常壁面效應(yīng)研究。研究結(jié)果表明，非定常壁面效應(yīng)在不同振幅下對推進(jìn)力和推進(jìn)效率均有改善，但升力的表現(xiàn)不同。對于特定數(shù)學(xué)模型，存在臨界振幅：當(dāng)模型振幅大于臨界振幅，升力為負(fù)，魚體向地面傾覆；反之，則升力為正，鰩魚可能正是利用較低振幅，獲取正升力以平衡自身重力。推進(jìn)力和升力變化的本質(zhì)在于壁面與翼片之間空間形狀的變化，影響流體流動結(jié)構(gòu)和壓力分布。研究揭示了鰩魚等負(fù)浮力魚類在海床附近游動減小振幅和調(diào)整俯仰角行為的內(nèi)在機理，同時為近底作業(yè)型水下航行器開發(fā)提供了思路。
該研究得到了國家自然科學(xué)基金和機器人學(xué)國家重點實驗室自主項目的支持。
