仿生自主推进柔性板集群运动的流固耦合数值研究

摘要

游动和飞行的集群运动蕴含了复杂的流体力学机制。人们一直关注两个关键科学问题:一是个体之间的流动耦合作用对集群运动的涌现(emergence)有何影响;另一是个体能否从集群运动中获得能量收益。本文采用浸没边界(IB)-格子玻尔兹曼(LB)-非线性有限元(FE)相结合的方法，数值研究了包含两个或多个拍动柔性板的流固耦合系统自主运动问题。研究结果可以帮助人们从流体力学视危理解生物集群运动的基本原理。本文的主要研究内容和结论如下:
　　(1)研究了两个自主推进拍动板的流-固耦合系统的运动问题。主要考察了初始放置距离、拍动相位差、弯曲刚度等参数对系统运动模态、推进特性的影响。研究发现仅通过以流动为媒介的耦合作用（flow-mediated interaction），系统便能够自发地形成稳定且有序的运动模态，分别包括同相拍动时的Staggered-Following(SF)和Alternate-Leading(AL)模态、反相拍动时的Moving Abreast(MA)和AL模态。同时，自主推进物体能从特定的排列方式中获得推进特性（速度和效率）的提升:在同相拍动时，交错的队形能够提升系统整体的推进特性;相对于前板，后板具有更高的效率。当系统选择并排队形时，其整体速度和效率均小于单个板。在反相拍动时，并排的队形有利于提升系统的推进速度和效率。这些结论与已有的实验观察进行了详细对比分析，证明是合理的。进一步通过对受力和做功的分析，揭示了最优队形的系统能获得推进性能提升的流体力学机制。
　　(2)研究了两个不同大小的拍动柔性板的自主推进问题。主要考察了初始放置距离、体长比、拍动振幅等参数对系统运动模态、运动稳定性以及推进特性的影响。对于具有不同推进速度的个体，通过以流动为媒介的耦合作用，两者能够达到统一的速度和稳定的队形，分别为紧凑结构（S0）和疏松结构（S1、S2等），其分离距离约为整数倍的尾迹波长，即S=0，1，2，…。进一步给出了短板在长板下游尾迹中的流体动力及相应的水动力势，并从能量观点分析了不同横向距离下系统运动的稳定性。研究发现，当选择合适的横向距离(比如H=0.5-1.0)时，交错结构的稳定性优于串联结构（H=0）。进而还研究了不同结构的能量收益和推进效率。当短板处于长板下游尾迹中时，其推进速度和推进效率将会大幅提高。这一现象与生物游动中的“水动力拖拽(hydrodynamic drafting)”机制类似。对于整个系统而言，当H≈0.2-0.3时，系统推进效率达到最优结构。
　　(3)研究了多个串列柔性拍动板的自主推进系统的集群运动。研究表明，对于多个个体的系统(N≤8)，仅依赖以流动为媒介的耦合作用，便能自发地形成稳定的队形。根据系统的推进特性和空间队形，研究发现两种典型的运动模态，即快模态(fast mode)和慢模态(slow mode)。在快模态中，柔性板形成紧凑的队形;而在慢模态中，柔性板形成疏松的队形。随着板的个数增加，系统可能分裂成若干子群。群体中个体之间的分离距离可以表示为离散的整数值(即S=1，2…)。在稳定队形中，板在平衡位置附近所受流体力类似于一个弹簧回复力。进而研究了尾迹中的水动力学势，揭示了系统保持队形稳定性的水动力学机制。同时，关于系统的推进特性，研究还发现了“头雁效应”，即处于群体后部的个体能够从群体领导者(leader)的尾迹中获得推进性能的提升。研究表明，水动力学作用不仅能保持群体结构的稳定性而且能使群体中的个体获得水动力学收益。

目录

声明

摘要

插图目录

第一章 绪论

1．1 生物飞行与游动问题简介

1．2 生物飞行与游动问题研究方法和现状

1．2．1 实验研究

1．2．2 理论研究

1．2．3 数值研究

1．3 生物飞行与游动中的集群运动

1．3．1 生物集群运动的实验研究

1．3．2 生物集群运动的模型研究

1．3．3 生物集群运动的水(空气)动力学

1．4 本文的主要工作

第二章 流固耦合数值方法

2．1 引言

2．2 流体动力学方程和数值方法

2．2．1 流体动力学方程

2．2．2 格子玻尔兹曼方法

2．3 结构运动方程及数值方法

2．3．1 弹性梁运动方程

2．3．2 结构运动方程的数值方法

2．4 流固耦合的边界条件及浸入边界法

2．5 数值方法的验证

2．6 本章小结

第三章 两个自主推进拍动板的流固耦合研究

3．1 引言

3．2 物理问题和数学描述

3．3 数值方法与验证

3．4 计算结果和讨论

3．4．1 运动模态

3．4．2 推进特性：SF模态与AL模态的比较

3．4．3 推进特性：SF模态与串联结构的比较

3．4．4 力与功

3．4．5 流动结构与非定常特性

3．4．6 反相拍动的情况

3．4．7 数值结果与实验观测的比较

3．5 本章小结

第四章 两个不同大小拍动柔性板的自主推进研究

4．1 引言

4．2 物理问题和数学描述

4．3 计算描述和程序验证

4．4 计算结果和讨论

4．4．1 运动模态

4．4．2 运动稳定性

4．4．3 推进特性

4．5 本章小结

第五章 多个串列自主推进拍动板集群式运动的数值研究

5．1 引言

5．2 物理问题和数学描述

5．3 计算描述和程序验证

5．4 计算结果和讨论

5．4．1 运动状态

5．4．2 运动稳定性

5．4．3 推进特性

5．5 本章小结

第六章 工作总结和研究展望

6．1 工作总结

6．2 主要创新点

6．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

致谢