近日，西湖大学工学院崔维成教授团队及合作者在流体力学顶级期刊Physics of Fluids发表题为“Propulsive performance and vortex dynamics of jellyfish-like propulsion with burst-and-coast strategy”的研究论文。该论文被选为主编推荐文章（Featured article），并被美国物理联合会《科学之光》（AIP Scilight）以“Highly efficient jellyfish jet propulsion”为题进行了专访报道。! a! R# ~4 P# _2 B9 C- u
本工作第一作者为西湖大学工学院助理研究员康林林博士，通讯作者为西湖大学工学院崔维成教授和中国科学技术大学工程科学学院高安康博士。本工作得到了西湖大学教育基金会、国家自然科学基金和科技部重点研发项目的支持。
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探究水下生物的推进方式对于仿生潜水器的研发具有重要意义。除了比较常见的鱼类采用尾鳍和胸鳍拍动实现推进外，水下还存在一类生物通过向后产生射流推动自身向前运动，比如水母、乌贼和章鱼等，其推进过程中所蕴含的丰富的流-固耦合与涡动力学问题尚待深入研究。2 }% V2 d% y8 j% A% [; O+ j0 t
在射流推进的过程中，壳体经历了两个阶段的变形：在闭合阶段，壳体通过收缩产生向后的射流推动身体前进；在打开阶段，壳体会重新充满水，为下一次射流推进做准备。相较于尾鳍推进，射流推进在水中可能会略显笨拙，但其具有高效、加速效果好、静音等优势。4 s- ?' w. p' J% \3 L8 \: i' _/ {
本工作采用格子玻尔兹曼-浸没边界-有限元方法数值模拟了仿水母推进的流-固耦合问题（动图1），探究了运动模式和被动柔性特性对自主推进的影响规律，通过研究推进速度、效率、尾涡模式等发现了最有效的壳体打开和闭合的运动模式，并采用旋涡动力学理论揭示了涡-体相互作用影响推进表现的内在机理。5 R( v$ [3 F7 N8 V4 g6 T
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~4 i2 t0 {5 B. s图1. 仿水母推进数值模拟的涡量场显示. F& u( _& C! ], C0 @3 H
该研究中的两个重要参数分别是占空比DC和壳体弯曲刚度K。: x4 o5 p- s- F! j2 K/ w
前者反映闭合阶段的时间占一个射流推进周期的比例，占空比DC越小表征壳体闭合越快，张开越慢；后者则反映壳体的柔性，K越小表征壳体越柔软。图2展示了占空比和刚度参数空间中的尾迹的对称-破缺不稳定性，并且识别了三种典型的尾涡模式：周期性对称尾涡、周期性反对称尾涡和混沌尾涡。研究发现，缓慢张开-快速闭合的运动模式和足够的柔性都有利于形成周期对称的尾涡，这对仿水母推进的侧向稳定性是十分重要的。研究还发现水母的推进速度随占空比增加而减小，直到尾迹转变成混沌尾迹（图3）。混沌尾迹也能满足高速推进的需求，但要以牺牲能耗和稳定性为代价。
5 c/ r( ~1 y* t0 V9 Y2 U/ e总体而言，壳体的快速打开-缓慢关闭的运动模式更有利于同时获得更高的推进速度、效率和稳定性，在此基础上适当提高壳体刚度将有利于提高推进效率。
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图2. （a）三种典型尾迹模式对应的涡量云图，（b）三种尾迹模式在（K-DC）空间中的分区图
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2 Z: B, M9 W2 z9 v& d' H3 T图3. 仿生推进特性（a）速度（b）能耗（c）效率（d）输运成本随占空比的变化0 r4 x5 e3 w# H/ G) W5 k
为阐明运动模式对推进性能的影响机理，本工作应用涡动力学理论对仿水母模型所受的水平力（推力和阻力）进行分解。根据水动力产生的不同机制，得到了以下四个分力（图4）：物面加速度引起的力，旋涡诱导力，摩擦力以及压强边界条件中的粘性效应导致的力。其中，旋涡诱导力反映了旋涡结构对物体受力的作用：在集中涡的涡心区域，速度梯度张量的第二不变量Q大于零，根据压强泊松方程可以得出涡心对物体产生了吸引力；在应变率更强的区域Q为负，因此应变率强的区域对物体产生着排斥力。图5反映了当壳体在获得最大推力和阻力时，涡量和旋涡诱导力元的空间分布。研究发现，在张开阶段，壳体尾缘会形成一对旋涡，旋涡区域（）产生的涡吸力贡献了与前进方向相反的阻力；在闭合阶段，这对涡会产生“虚拟壁面”的效果，在该涡对和壳体之间形成一个强应变率区域（），此区域产生的排斥力是壳体前进的主要驱动力。) A3 |2 V, S0 K n% ?, x
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, G- ^3 }$ o E8 X$ W. V图4. DC=0.8时，各力分量的贡献
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* s. a% R0 Z5 S4 Z! S0 N+ W- U$ h图5. 壳体张开和闭合阶段的涡量云图和旋涡诱导力分布图
6 g. d; }4 {' f# P j最终研究发现，壳体推进的主要驱动力源于壳体与尾涡对之间的流体应变率导致的排斥力（图6）；张开阶段产生的涡对可以增强应变率。( ?" ]4 T: O3 y; t
缓慢张开-快速闭合的运动方式能够有效实现对涡对的捕捉，从而能够提高推力并获得更高的推进效率。本研究阐明了水母可以通过巧妙操纵旋涡，有效利用“虚拟壁面”效应获得高推力和高效率的水动力学机制。该结果对仿水母设备的研发与设计具有指导意义。* @5 O, C6 o* i1 l8 T! A8 A
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$ [ c6 w$ t% R1 c7 `$ `图6. 仿水母推进机制示意图, C+ e' k. Q% D2 B
Physics of Fluids论文原文：https://doi.org/10.1063/5.0160878- s: m* p1 Y! f
AIP Scilight专访报道链接：https://doi.org/10.1063/10.0020949
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8 K( r8 v* K% r! S" m注：Scilight创办于2017年6月，是美国物理联合会的网络周刊，致力于挑选AIP发表的物理领域最新的、最具有代表性的文章，简要总结其研究成果，并强调其在该领域的创新性和突破性。Scilight每年从AIP旗下30多本刊物中仅挑选300余篇物理领域内最值得关注的研究成果进行报道。2 r( m2 _3 o5 h2 w7 z
深海技术研究实验室：
8 }( x$ D& m1 W3 R7 m& {崔维成教授课题组主要研究方向包括：（1）第三代新型仿生智能机器鱼型无人潜水器的研发，（2）第二代深海潜水器技术的产业化推广应用，（3）大型复杂工程系统统一理论的基础研究。现课题组诚聘上述研究方向的杰出人才，招聘研究员、副研究员、助理研究员、博士后、科研助理以及博士生，更多信息参见实验室网站： https://dstrc.lab.westlake.edu.cn/ 。# u5 l9 W; M* A' {( B
来源/崔维成实验室
( K" n% v' A0 }$ s2 w& h% v编辑/冯晨希
4 F7 i9 U1 n1 E$ I2 D( c& q( m- r校对/彭 玥
- ?' w1 D* ?2 e$ c2 M/ Y审核/苏凌菲. u0 u3 q5 q5 y2 ]/ L. r
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' M; d7 f! D$ R, A+ z信息来源：西湖大学工学院SOE。& I' I- M8 t4 s/ X
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