PoF | 南京工程学院林星箭副教授课题组:频率与波长调控下鱼游推力分布规律和效能标度率

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在自然界中，鱼类凭借其卓越的游动能力成为了仿生学的热点研究对象之一。然而，鱼类高效游动的内在机理至今依然有许多存疑之处。近日，南京工程学院林星箭副教授作为第一作者兼通讯作者，在国际权威期刊《Physics of Fluids》发表最新研究成果（标题：Hydrodynamics and scaling laws for the two-degree-of-freedom propulsion of an undulating swimmer），揭示了波动游动中频率与波长对推进性能的耦合影响，提出了新的推进效能标度律，为仿生机器鱼的优化设计提供了理论参考。论文研究得到了南京航空航天大学吴杰教授的宝贵建议和热心支持。

论文将鱼类游动简化为两自由度自推进的波动水翼模型，通过数值模拟方法，系统研究了不同频率和波长组合下仿生鱼的自主游动性能。研究发现，游动速度随频率增加而单调提升，但随波长的变化呈非单调趋势，最佳波长约为1.25倍体长，且该最优值与频率无关。同时，论文研究发现，仿生鱼推进效能的标度率依赖于波长。当波长不超过1.5倍体长时，推进速度满足Re_u∼Re_f^4/3；当波长超过1.5倍体长时，推进速度满足Re_u∼Re_f^1/2。并且，仿生鱼的推进效率满足CoT∼Re_f^2/5。此外，论文分析了仿生鱼游动的推力来源，发现推力主要来源于躯体尾部30%的部位（贡献了超过70%的净推力），同时其余的躯体部位也会“按需发力”，例如：鱼体头部在波长较大的情况下会利用前缘涡的吸附效应产生推力，鱼体中部则会在波长较短时辅助产生推力。本文研究成果有助于人们深入理解鱼类的高效游动机制，并为仿生机器鱼的效能优化设计提供理论参考。

第一作者/通讯作者：林星箭，南京工程学院机械工程学院副教授，硕士生导师。主要从事计算流体力学方法及应用、生物飞行/游动及其集群运动的流体力学机理、仿生机器鱼效能优化设计等方面的研究工作。近年来，主持国家自然科学基金、江苏省自然科学基金等各类科研项目多项，以第一/通讯作者在Journal of Fluid Mechanics (5篇), Physics of Fluids (4篇), Journal of Fluids and Structures, Physical Review Fluids, Acta Mechanica Sinica 等国际著名学术期刊发表SCI论文十余篇，出版学术专著1部，授权发明专利2项，获中国空气动力学会科学技术二等奖、中国力学学会优博、江苏省优博等奖励多项。

Physics of Fluids是一种致力于发表原创理论、计算和实验贡献，以了解气体、液体和复杂或多相流体动力学的卓越期刊。本刊对流体物理的主题进行了专业的快速审查，反映了流体动力学中最重要的主题。