游動和飛行的集群運動蘊含了復雜的流體力學機制。人們一直關注兩個關鍵科學問題:一是個體之間的流動耦合作用對集群運動的涌現(xiàn)（emergence）有何影響;另一是個體能否從集群運動中獲得能量收益。本文采用浸沒邊界（IB）-格子玻爾茲曼（LB）-非線性有限元（FE）相結合的方法,數(shù)值研究了包含兩個或多個拍動柔性板的流固耦合系統(tǒng)自主運動問題。研究結果可以幫助人們從流體力學視角理解生物集群運動的基本原理。本文的主要研究內容和結論如下:（1）研究了兩個自主推進拍動板的流-固耦合系統(tǒng)的運動問題。主要考察了初始放置距離、拍動相位差、彎曲剛度等參數(shù)對系統(tǒng)運動模態(tài)、推進特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)僅通過以流動為媒介的稱合作用（flow-mediated interactrion）,系統(tǒng)便能夠自發(fā)地形成穩(wěn)定且有序的運動模態(tài),分別包括同相拍動時的Staggered-Following（SF）和 Alt,ernat,e-Leading（AL）模態(tài)、反相拍動時的 Moving Abreast（MA）和AL模態(tài)。同時,自主推進物體能從特定的排列方式中獲得推進特性（速度和效率）的提升:在同相拍動時,交錯的隊形能夠提升系統(tǒng)整體的... 

【文章頁數(shù)】：142 頁

【學位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
Abstract
第一章 緒論
    1.1 生物飛行與游動問題簡介
    1.2 生物飛行與游動問題研究方法和現(xiàn)狀
        1.2.1 實驗研究
        1.2.2 理論研究
        1.2.3 數(shù)值研究
    1.3 生物飛行與游動中的集群運動
        1.3.1 生物集群運動的實驗研究
        1.3.2 生物集群運動的模型研究
        1.3.3 生物集群運動的水(空氣)動力學
    1.4 本文的主要工作
第二章 流固耦合數(shù)值方法
    2.1 引言
    2.2 流體動力學方程和數(shù)值方法
        2.2.1 流體動力學方程
        2.2.2 格子玻爾茲曼方法
    2.3 結構運動方程及數(shù)值方法
        2.3.1 彈性梁運動方程
        2.3.2 結構運動方程的數(shù)值方法
    2.4 流固耦合的邊界條件及浸入邊界法
    2.5 數(shù)值方法的驗證
    2.6 本章小結
第三章 兩個自主推進拍動板的流固耦合研究
    3.1 引言
    3.2 物理問題和數(shù)學描述
    3.3 數(shù)值方法與驗證
    3.4 計算結果和討論
        3.4.1 運動模態(tài)
        3.4.2 推進特性:SF模態(tài)與AL模態(tài)的比較
        3.4.3 推進特性:SF模態(tài)與串聯(lián)結構的比較
        3.4.4 力與功
        3.4.5 流動結構與非定常特性
        3.4.6 反相拍動的情況
        3.4.7 數(shù)值結果與實驗觀測的比較
    3.5 本章小結
第四章 兩個不同大小拍動柔性板的自主推進研究
    4.1 引言
    4.2 物理問題和數(shù)學描述
    4.3 計算描述和程序驗證
    4.4 計算結果和討論
        4.4.1 運動模態(tài)
        4.4.2 運動穩(wěn)定性
        4.4.3 推進特性
    4.5 本章小結
第五章 多個串列自主推進拍動板集群式運動的數(shù)值研究
    5.1 引言
    5.2 物理問題和數(shù)學描述
    5.3 計算描述和程序驗證
    5.4 計算結果和討論
        5.4.1 運動狀態(tài)
        5.4.2 運動穩(wěn)定性
        5.4.3 推進特性
    5.5 本章小結
第六章 工作總結和研究展望
    6.1 工作總結
    6.2 主要創(chuàng)新點
    6.3 研究展望
參考文獻
攻讀博士學位期間的研究成果
致謝


【參考文獻】：
期刊論文
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本文編號：3693195