[论文解读] A Review on Fish Swimming and Bird/Insect Flight

Theodore Y. Wu|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 67被引用 5

一句话总结

本综述提出了一套统一的理论框架，用于解释鱼类游泳与鸟类/昆虫飞行，通过整合非线性非定常细长体理论与柔性机翼理论，阐明了通过涡动力学与能量守恒实现推进的机制。该研究通过证明鱼类的粘性阻力主要源于层流边界层而非湍流，解决了长期存在的“鱼类游泳悖论”，并基于反应理论与能量平衡分析验证了高效率游泳机制的合理性。

ABSTRACT

This expository review is devoted to fish swimming and bird/insect flight. (i) The simple waving motion of an elongated flexible ribbon plate of constant width, immersed in a fluid at rest, propagating a wave distally down the plate to swim forward is first considered to provide a fundamental concept on energy conservation. It is generalized to include variations in body width and thickness, vortex shedding from appended dorsal, ventral and caudal fins to closely simulate fish swimming for which a nonlinear theory is presented for large-amplitude propulsion. (ii) For bird flight, the pioneering studies on oscillating rigid wings are briefed, followed by presenting a nonlinear unsteady theory for flexible wing with arbitrary variations in shape and trajectory with a comparative study with experiments. (iii) For insect flight, more recent advances are reviewed under aerodynamic theory and modeling, computational methods, and experiments, on forward and hovering flights with producing leading-edge vortex to give unsteady high lift. (iv) Prospects are explored on extracting intrinsic flow energy by fish and bird to gain thrust for propulsion. (v) The mechanical and biological principles are drawn together for unified studies on the energetics in deriving metabolic power for animal locomotion, leading to a surprising discovery that the hydrodynamic viscous drag on swimming fish is largely associated with laminar boundary layers, thus drawing valid and sound evidences for a resolution to the fish-swim paradox proclaimed by Gray (1936, 1968).

研究动机与目标

• 通过整合流体力学与生物力学，建立水下与空中动物运动的统一理论基础。
• 通过证明游泳鱼类的流体粘性阻力主要源于层流边界层而非湍流，解决鱼类游泳悖论。
• 发展并应用完全非线性非定常柔性机翼理论，以描述鸟类与昆虫飞行，涵盖任意形状与轨迹变化。
• 探索动物从环境流场中提取能量以增强逆境下推进力的潜力。
• 将机械原理与动物代谢率的生物数据相结合，推导出一致的运动能量学模型。

提出的方法

• 应用非定常细长体理论，对具有向后传播波的柔性带状平板进行推进建模，推导动量与功率平衡关系。
• 将理论扩展至包含可变的体宽、厚度与偶鳍贡献，以模拟具有涡流脱落的现实鱼类游泳。
• 发展适用于任意形状与运动的二维机翼的完全非线性非定常柔性机翼理论，并通过实验测得的垂直与俯仰运动翼型数据进行验证。
• 将前缘涡动力学整合进昆虫飞行的气动建模中，解释非定常高升力机制。
• 利用反应理论计算推力，并结合实测代谢率，建立动物运动中能量守恒的模型。
• 应用加速度势与涡面动力学，对尾迹中束缚涡与自由涡进行建模，通过库塔条件确保涡流的连续脱落。

实验结果

研究问题

• RQ1 非线性非定常细长体理论如何解释具有大振幅波动的鱼类实现高效推进的机制？
• RQ2 层流边界层在游泳鱼类产生粘性阻力中起什么作用？这一机制如何解决鱼类游泳悖论？
• RQ3 前缘涡在昆虫飞行中如何贡献于高升力？其与机翼运动的动态相互作用机制是什么？
• RQ4 动物是否能通过涡流脱落与尾迹相互作用从环境流场中提取能量以增强推力？其物理与控制理论约束条件是什么？
• RQ5 如何将机械推力与生物代谢功率统一，以建立动物运动中总能量守恒的模型？

主要发现

• 通过证明游泳鱼类的粘性阻力主要源于层流边界层而非湍流，解决了鱼类游泳悖论，推翻了早期假设。
• 针对垂直与俯仰运动翼型的实验验证表明，柔性机翼的非线性非定常理论能准确预测推力与功率，验证了其准确性。
• 研究显示，昆虫飞行中的前缘涡对非定常高升力产生至关重要，持续附着的涡流可显著提升升阻比。
• 动物可能通过涡流脱落与尾迹相互作用从环境流场中提取能量，暗示其在湍流或不利流场中实现增强推进的机制。
• 通过结合反应理论计算推力与实测代谢率，建立了一致的运动能量学统一模型，表明跨物种的能量守恒具有高度一致性。
• 理论预测在特定波速与体部运动学条件下达到最优游泳效率，当平板波速超过游泳速度时，会形成闭合的涡流环路。