Механизм генерации тяги в гидроупругих биомиметических пропульсивных системах

Автор: Артем Наилевич Нуриев

Организация: Институт математики и механики им. Н.И. Лобачевского Казанского (Приволжского) федерального Университета, Казань

 Рис. Течение за рыбоподобным пловцом

Гидробионты в ходе эволюции развили исключительно эффективные механизмы пропульсивного движения, однако перенос этих принципов в биомиметические роботизированные системы сдерживается неполным пониманием физики сложного гидроупругого процесса взаимодействия природного движителя с жидкостью.  В настоящей работе проводится многоэтапный анализ механики пропульсивного биомиметического движения на базе современных аналитических и численных моделей.

На первом этапе, в рамках приближенного аналитического решения [1, 2] уравнений Навье–Стокса для колеблющегося жёсткого цилиндра, совершающего поступательно-вращательные колебания, устанавливается механизм формирования особого направленного течения, которое формируется в следе за колеблющимся телом и ответственно за формирование реактивной тяги (см. Рис.). На втором этапе, в рамках численного исследования влияния параметров колебания и формы тела на характеристики пропульсивного движения, устанавливаются факторы, позволяющие управлять этим течением и, как следствие, изменять направление пропульсивного движения колеблющегося тела. На третьем и четвёртом этапах исследуется влияние упругости элементов тела на пропульсивные свойства. На основе вариационного принципа Даламбера–Лагранжа выводится система уравнений движения [3] биомиметического пловца с упругим хвостом в условиях упрощённого представления гидродинамического воздействия в виде следящей нагрузки и методом Ритца строится приближённое аналитическое решение. Его анализ дает возможность раскрыть физический механизм преобразования упругих колебаний хвоста в поступательное движение корпуса, позволяя качественно описать условия повышения генерации тяги. На четвёртом этапе рассматривается интеграция всех составляющих механизма генерации тяги в численной гидроупругой модели пловца, приводится анализ ключевых характеристик движения такой системы.

1. Nuriev A.N., Egorov A.G. Asymptotic theory of a flapping wing of a circular cross-section // Journal of Fluid Mechanics. 2022. Vol. 941. Art. A23.

2. Egorov A., Nuriev A., Anisimov V., Zaitseva O. Propulsive motion of an oscillating cylinder in a viscous fluid // Physics of Fluids. 2024. Vol. 36. No. 2. Art. 021908.

3. Paimushin V.N., Nuriev A.N. Dynamic model of an ornithopter with elastic high-aspect-ratio flapping wings // Russian Mathematics. 2026. Vol. 70. No. 2. P. 81–87.