仿生涡环形成的拉格朗日分析

脉冲射流推进是水生动物使用的一种高能效游泳模式，持续启发着水下航行器的设计者。在此，我们提出一种仿生射流推进器，其将水母的柔性外壳与扇贝的双壳压缩相结合，以产生单个涡环用于推力生成。与生物喷射者类似，我们的推进器产生非线性时间出口速度剖面，并具有有限容积能力。利用时间分辨速度场测量分析了该射流剖面所产生涡的形成过程。基于有限时间李雅普诺夫指数场中脊的演化和由速度数据导出的压力场中的局部极值，表征了涡特性的瞬态发展。特别关注了在尾射流中观察到的涡合并。在涡合并期间，拉格朗日涡边界先在流向方向上收缩，然后在法向方向上扩张，以保持无量纲能量处于其最小值。由于合并，涡的环量、直径和平移速度均增加。涡合并发生是因为合并前尾涡的速度高于主涡的速度。