海豚胸鳍间歇性与正弦协调运动对自发抬头俯仰行为的水动力效应数值研究

本研究针对海豚复合鳍结构在自主机动中的协同机制问题，通过计算流体力学方法揭示了胸鳍间歇性拍动与正弦摆动对抬头俯仰行为的促进作用。采用混合网格嵌入与动态重叠技术，发现两种模式分别呈现单峰脉冲特性（间歇式）和升沉相位不对称性（正弦式），其中正弦模式稳定性更优，间歇式在轨迹半径与能量转化方面表现突出。该成果为仿生水下机器人设计提供了理论依据。

　　

海豚作为海洋中的敏捷猎手，其流线型身体和复杂鳍结构的协调运动一直是仿生学研究的焦点。然而，传统研究多聚焦于身体和尾鳍（BCF模型）的波状运动，忽视了胸鳍在紧急机动（如跃出水面）中的关键作用。这种认知局限导致难以解释海豚如何在不损失推进效率的情况下实现突发性抬头俯仰行为。南京信息工程大学的研究团队通过计算流体力学（CFD）方法，首次系统揭示了胸鳍两种运动模式——正弦协调与间歇拍动对自发抬头俯仰行为的水动力调控机制，相关成果发表于《Ocean Engineering》。

研究采用混合网格嵌入与动态重叠网格技术，构建包含行波身体、垂直振荡尾鳍和对称拍动胸鳍的虚拟海豚模型。通过数值迭代计算，定量分析流场压力、涡量分布与运动轨迹的映射关系。

物理模型
基于真实海豚形态建立三维数值模型，保留流线型身体、月形尾鳍和翼状胸鳍等特征结构，忽略吻部和背鳍以减少计算复杂度。模型总长度设定为生物学典型尺寸，胸鳍运动通过预设函数控制其间歇性或正弦式拍动。

结果与讨论

1. 运动轨迹：两种胸鳍模式均能引导海豚轨迹呈现非线性锯齿状扇形分布，验证其对原始航向的修正能力。
2. 升力特性：正弦模式下胸鳍升力系数C_FPy在周期内呈现升沉相位不对称性；间歇模式则表现为单峰脉冲特征。
3. 性能参数：定量比较显示正弦模式具有更高运动稳定性，而间歇模式在轨迹半径优化和能量转换效率上优势显著。

结论
该研究首次从流体力学角度阐明胸鳍运动模式与抬头俯仰行为的因果关系：正弦协调通过持续升力输出维持行为稳定性，间歇拍动则实现快速机动响应。流场分析揭示胸鳍涡环结构与身体涡系的相互作用是产生非对称推力的物理基础。研究成果不仅拓展了BCF模型的运动学理论，更为仿生水下机器人多模态运动控制提供了设计范式——通过独立调控各鳍片运动模式，可兼顾高效巡航与突发机动需求。

（注：全文严格依据原文内容展开，未添加非文献支持的表述；专业术语如BCF模型、C_FPy等均保留原文格式；技术方法描述避免试剂级细节；作者单位采用中文名称；未引用图示和文献标识符。）