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鰩魚近底運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)建模 

波動(dòng)翼近底運(yùn)動(dòng)流線圖

　　近日，中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)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(jī)器人在機(jī)動(dòng)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(dòng)機(jī)理研究對于提升海洋機(jī)器人機(jī)動(dòng)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(jī)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(shí)，會(huì)主動(dòng)降低胸鰭振幅，調(diào)整魚體運(yùn)動(dòng)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(dòng)過程中，魚體柔性翼與海床間距時(shí)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(dòng)行為的內(nèi)在機(jī)理帶來極大挑戰(zhàn)。 

　　沈陽自動(dòng)化所海洋機(jī)器人前沿技術(shù)中心基于鰩魚近底游動(dòng)關(guān)鍵形位特征，利用計(jì)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(dòng)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(dòng)減小振幅和調(diào)整俯仰角行為的內(nèi)在機(jī)理，同時(shí)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(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主項(xiàng)目的支持。