前缘曲率驱动对扑动鳍性能的影响

辐鳍鱼类能够通过鳍基部的肌肉调节其鳍的曲率。本文中，我们数值研究了此类前缘曲率驱动对作沉浮与俯仰运动的鳍的水动力性能的影响。我们提出了一种在膜不可伸展约束下，构建具有给定前缘曲率的射线-膜型鳍形状的几何与数值框架。该算法与三维 Navier-Stokes 求解器耦合，使我们能够评估此类鳍的水动力性能。为确定可能形状的空间，我们提出了一个通过两个系数分别决定弦向与展向曲率的前缘曲率驱动简单模型。我们系统地改变这两个参数，遍历模拟被动弹性变形以及对抗水动力载荷的主动曲率的工况，并计算推力系数、功率系数以及水动效率。我们的结果表明，推力与效率主要受弦向曲率影响，展向曲率对效率有少量额外增益。性能的主要提升可由前缘曲率驱动引起的后缘运动学改变来解释，这很大程度上可由后缘运动学跟随弯曲鳍的刚性鳍复现。在固定后缘运动学下，鳍弯度的变化主要有益于效率。基于我们的结果，我们讨论了将前缘曲率驱动作为一种稳健且通用的改善扑动鳍性能的方法。