Гидродинамика пропульсивного движения биомиметического пловца
Автор: Наиль Нафисович Гумеров
Соавторы: Нуриев Артем Наилевич
Организация: Казанский (Приволжский) федеральный университет
На сегодняшний день разработка биомиметических устройств представляет собой одно из наиболее перспективных направлений в аэрогидродинамических исследованиях. Изучение механизмов создания тяги посредством колебательного движения тела началось еще в прошлом столетии. В последние годы наблюдается заметный прогресс в области создания биомиметических движителей [1]. Ожидается, что уже в ближайшее время подобные устройства значительно превзойдут традиционные пропульсивные системы по энергоэффективности.
В настоящей работе исследуется модель пловца, представляющего собой удлиненную балку с переменной формой поперечного сечения, совершающего волнообразное колебательное движение подобно упругому телу рыбы. Рассматривается движение пловца со скоростью U. Амплитуда колебаний хвоста фиксируется на значении α = 0.1L, где L — длина пловца. Рассчитывается крейсерская скорость, тяга и эффективность пловца. Анализируется влияние формы пловца и закона колебаний на характеристики пропульсивного движения и общую структуру течения (характерная структура течения в следе за пловцом при угревидном законе колебаний представлена на рис. 1.).
В качестве основного инструмента исследования используется прямое численное моделирование. Гидродинамика описывается с помощью нестационарного уравнения Навье – Стокса и уравнения неразрывности, которые записываются в безразмерном виде. Скорость нормируется на характерную скорость колебаний кончика хвоста 2παf, где f — частота колебаний, пространственные координаты обезразмериваются на L. В исследовании рассматриваются числа Рейнольдса до Re = 70000, что соответствует пловцу длиной 0.19 м, движущемуся со скоростью 0.37 м/c при частоте 2.5 Гц.
В рамках исследования были получены следующие основные результаты:
1. Установлены зависимости продольной силы, мощности, крейсерской скорости и эффективности пловца от частоты колебаний.
2. Продемонстрирована согласованность результатов с экспериментальными данными [2].
3. Установлены границы применимости двумерной модели для расчета гидродинамических характеристик пловца.
4. Выявлено, что угревидные колебания существенно более эффективны, чем упругие изгибные колебания балки по первой собственной форме, которые обычно используются в современных биоподобных аппаратах.
1. Coe, M.; Gutschmidt, S. Cost of Transport is not the whole story // Ocean Engineering. — 2024. — Vol. 313 — id 119332.
2. Gazzola, M.; Argentina, M.; Mahadevan, L. Scaling macroscopic aquatic locomotion // Nature Physics. — 2014. — Vol. 10. — P. 758-761.
