日前，西北工业大学航海学院“自主水下航行器团队”与清华大学航天航空学院“湍流实验室”合作，在流体力学顶级期刊《Journal of Fluid Mechanics》（简称JFM，剑桥大学出版社旗下核心期刊之一，是流体力学领域的Top1期刊）上发表了题为“Vortex dynamics and hydrodynamic performance enhancement mechanism in batoid fish oscillatory swimming”的原创性研究成果（J. Fluid Mech. (2022), vol. 930, A28）。航海学院博士研究生张栋（2020届）是论文第一作者，目前在清华大学开展博士后研究工作，西北工业大学黄桥高副教授和清华大学黄伟希副教授为论文共同通讯作者，论文作者还有西北工业大学潘光教授和南京航空航天大学杨鲤铭教授，西北工业大学是该论文的第一署名单位。
为了进一步提高水下航行器的性能指标，采用仿生手段进行水下装备研制已成为该领域的热点，然而现有仿生水下航行器与真实生物的水动力性能相差甚远，这是由于水中生物高效推进的水动力机理尚未探明。在众多鱼类推进模式中，蝠鲼采用胸鳍推进作为其运动方式，具有高推进效率、高机动性、高稳定性等优良特性，因此被选定为水下航行器的仿生对象。
蝠鲼(俗称“魔鬼鱼”)
仿蝠鲼柔体潜水器
海洋馆真假鱼群混游
南海珊瑚礁科考
研究团队通过对真实生物的观测得到在游动过程中蝠鲼胸鳍展现出的弦向柔性变形特性，并通过弦向行波方程来模化该复杂变形。在生物游动/飞行过程中，前缘涡被认为有利于高升力的产生，而本文作者通过数值研究创新性的发现鳍尖涡对于胸鳍推进模式推力产生的重要性，以及低速下前缘涡对推力的负影响机制；通过对不同程度弦向变形的模拟发现弦向变形可以有效降低胸鳍的有效攻角，从而降低相关涡结构的强度。蝠鲼正是通过适当的柔性变形使得在不同涡结构的正负影响下，其推力性能达到最优的平衡。本项研究揭示了鳐科生物通过改变胸鳍变形模式增强推力的机制，为仿蝠鲼水下航行器的设计提出了参考性建议。
不同弦向变形下蝠鲼三维涡结构演化
研究团队在国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目支持下，还开展了仿蝠鲼柔体潜水器样机研制与工程应用研究，突破了仿蝠鲼柔体潜水器主/被动变形水动力特性分析、滑-扑多姿态运动模式转换、三维软体胸鳍结构设计、基于CPG的多模式运动控制等关键技术，研制了10kg/100kg/500kg级系列样机，在我国南海海域完成了具有应用能力的仿生柔体潜水器1025m大深度滑扑一体航行试验，研究成果受到新华社、CCTV-13新闻直播间、中国科学报等媒体报道，并参加了国家“十三五”创新科技成就展（2021.10.21-27），得到广泛关注。
论文链接：
https://doi.org/10.1017/jfm.2021.917
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撰稿：黄桥高
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信息来源：西北工业大学航海学院
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