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【獎勵聚焦】2019年度中國力學學會優秀博士學位論文提名獎獲獎人介紹：彭澤瑞

2020-11-26 16:15 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

個人簡介

彭澤瑞，男，工學博士。2008年9月進入中國科學技術大學近代力學系學習，2012年6月獲學士學位，2018年6月獲博士學位。2019年度中國力學學會優秀博士學位論文提名獎獲得者。2018年8月至2018年12月任南方科技大學力學與航空航天工程系訪問學者，2019年1月起在華中科技大學航空航天學院工程力學系工作。主要從事計算流體力學、遊動和飛行的生物運動力學、流固耦合等方面的基礎和應用研究。博士論文基於浸沒邊界方法-格子玻爾茲曼方法-非線性有限元方法等相結合的數值計算框架，針對「Lighthill猜想」和「水動力學優勢」等生物集群運動中備受關注的重要科學問題展開研究，探討仿生自主推進柔性體集群運動的複雜流動幹擾和流動控制規律，進而揭示生物集群運動中蘊含的基本力學原理。相關成果在Journal of Fluid Mechanics、Physics of Fluids等國際流體力學權威期刊發表。獲2019年度中國力學學會優秀博士學位論文提名獎，入選2019年度華中科技大學優秀青年教師培養計劃。目前主持國家自然科學基金（青年基金）、華中科技大學自主創新基金等科研項目。

獲獎論文題目

仿生自主推進柔性板集群運動的流固耦合數值研究

關鍵詞

自主推進

流固耦合

柔性板

多體幹擾

格子玻爾茲曼方法

浸入邊界方法

博士論文摘要

遊動和飛行的集群運動蘊含了複雜的流體力學機制。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湧現(emergence)有何影響；另一是個體能否從集群運動中獲得能量收益。本文採用浸沒邊界（IB）-格子玻爾茲曼（LB）-非線性有限元（FE）相結合的方法，數值研究了包含兩個或多個拍動柔性板的流固耦合系統自主運動問題。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、彎曲剛度等參數對系統運動模態、推進特性的影響。研究發現僅通過以流動為媒介的耦合作用 (flow-mediated interaction)，系統便能夠自發地形成穩定且有序的運動模態，分別包括同相拍動時的 Staggered Following (SF) 和Alternate-Leading (AL) 模態、反相拍動時的 Moving Abreast (MA) 和 AL 模態。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整體的推進特性；相對於前板，後板具有更高的效率。當系統選擇並排隊形時，其整體速度和效率均小於單個板。在反相拍動時，並排的隊形有利於提升系統的推進速度和效率。這些結論與已有的實驗觀察進行了詳細對比分析，證明是合理的。進一步通過對受力和做功的分析，揭示了最優隊形的系統能獲得推進性能提升的流體力學機制。

(2) 研究了兩個不同大小的拍動柔性板的自主推進問題。主要考察了初始放置距離、 體長比、拍動振幅等參數對系統運動模態、運動穩定性以及推進特性的影響。對於具有不同推進速度的個體，通過以流動為媒介的耦合作用，兩者能夠達到統一的速度和穩定的隊形，分別為緊湊結構(S0)和疏鬆結構(S1、S2等)，其分離距離約為整數倍的尾跡波長，即S = 0, 1, 2,...。進一步給出了短板在長板下遊尾跡中的流體動力及相應的水動力勢，並從能量觀點分析了不同橫向距離下系統運動的穩定性。研究發現，當選擇合適的橫向距離（比如 H = 0.5−1.0）時，交錯結構的穩定性優於串聯結構（H = 0）。進而還研究了不同結構的能量收益和推進效率。當短板處於長板下遊尾跡中時，其推進速度和推進效率將會大幅提高。這一現象與生物遊動中的 「水動力拖拽(hydrodynamic drafting)」 機制類似。對於整個系統而言，當 H ≈ 0.2−0.3 時，系統推進效率達到最優結構。

(3) 研究了多個串列柔性拍動板的自主推進系統的集群運動。研究表明，對於多個個體的系統（ N ≤ 8 ），僅依賴以流動為媒介的耦合作用，便能自發地形成穩定的隊形。根據系統的推進特性和空間隊形，研究發現兩種典型的運動模態，即快模態 (fast mode) 和慢模態 (slow mode) 。在快模態中，柔性板形成緊湊的隊形；而在慢模態中，柔性板形成疏鬆的隊形。隨著板的個數增加，系統可能分裂成若干子群。群體中個體之間的分離距離可以表示為離散的整數值（即 S = 1, 2...）。在穩定隊形中，板在平衡位置附近所受流體力類似於一個彈簧回復力。進而研究了尾跡中的水動力學勢，揭示了系統保持隊形穩定性的水動力學機制。同時，關於系統的推進特性，研究還發現了「頭雁效應」，即處於群體後部的個體能夠從群體領導者（leader）的尾跡中獲得推進性能的提升。研究表明，水動力學作用不僅能保持群體結構的穩定性而且能使群體中的個體獲得水動力學收益。

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原標題：《【獎勵聚焦】2019年度中國力學學會優秀博士學位論文提名獎獲獎人介紹：彭澤瑞》

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