波动式水下游动：利用仿生机器鱼关联涡动力学、推力与尾流结构

基于拍动的推进系统依赖流固耦合来产生推力。在中高雷诺数下，此类系统尾流中的涡形成与组织对推进力的产生至关重要。在本工作中，我们通过实验研究了浸没在水洞中的系留机器鱼产生的尾流。通过系统地改变鱼尾的振幅和频率以及自由流速度，我们能够观察并表征作为 Strouhal 数函数的不同涡街。产生的尾流是三维的，呈现经典的 V 形，主要由两列向外对流的倾斜涡环组成。利用鱼后方中间展向平面内的二维粒子图像测速（PIV），并通过对速度和涡度场进行大量数据处理，我们展示了涡动力学、推力产生和尾流结构之间存在的强耦合。我们首先测量了涡速度随 Strouhal 数的演化，并使用与推力产生直接相关的动量平衡方程对其进行建模。随后我们关注尾流结构，如尾流角以及涡环方向、直径和涡度。尾流结构在一个简单的几何框架内进行建模，其中涡环速度由自由流速度和涡环自平流速度组成。该框架通过我们的实验测量以及汇聚于主曲线的文献数据进行了测试和验证，突显了由 Strouhal 数主导的普适行为。这使我们能够全面理解尾流结构如何随该数变化，进而理解推力产生。