主动尾鳍弯曲与被动水动力协同提升游动速度与效率
流体动力学
2021-12-22 v1
摘要
鱼类通常通过身体的周期性弯曲来游动。弯曲似乎遵循一个普遍规律：发生在距鱼体后端约三分之一处，最大弯曲角约为 。然而，塑造这种趋同设计的流体力学机制及其在游动速度和效率方面给鱼类带来的潜在益处尚不清楚。也不清楚这种弯曲在多大程度上是主动的，或在多大程度上源于柔性后部与流体环境相互作用的被动结果。在此，我们使用自推进双连杆模型，在涡片法框架下描述流固耦合，来分析主动与被动身体弯曲对游动性能的影响。我们发现，与刚性拍动相比，被动弯曲效率更高但会降低游动速度，而加入主动弯曲可同时提升速度与效率。重要的是，我们发现身体后部与前部之间的相位差是一个影响性能的重要运动学因素，且与被动弯曲相位一致的主动反相弯曲，能在与生物学观测重叠的设计空间区域内同时提升速度与效率。我们的结果支持如下假设：以利用被动水动力学的方式主动弯曲身体的鱼类能够同时提高速度与效率。
引用
@article{arxiv.2104.11869,
title = {Active tail flexion in concert with passive hydrodynamic forces improves swimming speed and efficiency},
author = {Haotian Hang and Sina Heydari and John H. Costello and Eva Kanso},
journal= {arXiv preprint arXiv:2104.11869},
year = {2021}
}