有源尾部与被动尾部的无规则游泳者比较研究
流体动力学
2025-11-06 v1
摘要
鱼类通过身体与尾鳍的协同作用展现出卓越的游泳能力，但尾鳍被动摆动在提高水动力性能方面的潜在作用尚未得到明确。本文评估了配备主动摆动尾部或被动摆动尾部的卡拉基形游泳者性能。采用基于流体-结构相互作用的仿真，评估了关节刚度、阻尼和惯性变化对推力产生、功耗和整体稳定性的影响，分别在雷诺数为 500 和 5000 的两个典型雷诺数下进行。结果表明，主动摆动尾部倾向于产生更大的推力，而被动摆动尾部在低雷诺数下在功耗方面表现更佳。较大的摆动幅度只有在伴随更高游泳频率时才有积极作用；当由较低惯性的更灵活关节产生时，较小的摆动幅度会导致不利的效果。在较高雷诺数下，主动尾部始终优于被动尾部，尽管仍有一小部分被动情形实现了良好的性能。在所有情况下，都出现了一个反复的平衡，即推力生产与能源消耗呈反相关。这些发现阐明了被动与主动尾部运动的水动力影响，并为生物仿生 underwater 车辆的设计原则奠定了基础，其中较小的游泳者可能受益于被动尾部摆动，而较大的游泳者则更适合主动控制。
引用
@article{arxiv.2511.03057,
title = {Comparative Investigations on Active and Passive Tails of Undulating Swimmers},
author = {Dev Pradeepkumar Nayak and Ali Tarokh and Muhammad Saif Ullah Khalid},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.03057},
year = {2025}
}