鳐鱼游动的壁面效应研究

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鳐鱼是一种底栖鱼类,游动时常与水底维持较小的距离,这有利于利用近壁面效应来增强游动性能。对鳐鱼游动的壁面效应研究,既可加深对鳐鱼生物适应性的认识,又可为水下资源探测器的研制提供新思路。  鳐鱼的游动一般处于高雷诺数范围(Re≈105),此时的流场绝大部分区域可以近似为无黏的,黏性主要体现在鱼体表面的边界层和鱼体尾部脱出的剪切层,故可以采用尾缘脱涡的非定常面元法来研究鳐鱼的游动。  本文开发了一套适用于有厚度柔性体的非定常面元法程序,分别对鳐鱼的二维游动模型和三维游动模型进行了研究。具体的工作和结论分述如下:  1)用二维波动翼来模拟鳐鱼的近壁游动,分析了在壁面附近波动翼产生推力的机理(用涡动力学分析方法)和调节升力的机制,以及增推效应。计算结果表明,相对于无壁面的情形,近壁面的波动翼尾缘脱涡强度增大,且交替脱出来的正向和反向涡(反向冯卡门涡街)间距略微增加,从而增大了推力;升力的调节主要依赖翼型的仰角,随着距离壁面高度的减小,需要适当增大仰角才能使得升力为零;波幅和频率的提高都增强了波动翼的壁面效应。这意味着鳐鱼贴底游动时,推力得到增强,从而可以提高游速,但同时也需适当提高身体的仰角来维持与壁面的距离不变。  2)在前人活体观测数据的基础上,建立了鳐鱼游动的三维模型,探讨了鳐鱼模型游动的平壁面效应。计算结果表明,三维模型的壁面效应与二维模型规律一致。当三维模型推力与二维模型一致时,二维模型可视为距离鱼体中轴线2/3半展长处的纵剖面波动;在此情形下,三维模型靠近壁面产生的负升力小于二维情形,导致三维模型调节升力为零所需的仰角比二维模型预测的小。
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