图9 典型仿真案例和实验验证案例（按时间顺序排列）

01理论分析

计算流体仿真最早开始运用于水上飞机的研究，逐步被广泛应用到水空跨介质航行器领域。

预测并再现跨介质过程

在仿生学研究中，一些生物的运动行为难以通过传统方式捕捉、研究、复现，如鱼类游动、鸟类飞行、两栖飞鱼和水鸟的跨介质运动等，但CFD技术可以通过对研究对象进行建模并做出合理假设，提供高效的数值计算方法模拟复现生物的运动。所以CFD技术被越来越多地应用到仿生学研究中。

Huang等利用CFD技术对鸬鹚脚蹼在起飞时的运动学和动力学特征进行了分析。通过使用VOF（volume of fluid）模型中的标准k-ε湍流模型、Navier-Stokes方程等进行计算，再现了鸬鹚起飞过渡的过程，如图9中A1所示。Deng等利用CFD技术对3种不同飞鱼模型的空气动力学性能进行了数值研究，数据表明这些模型在纵向上是稳定的。之后通过三自由度（3-DOF）动力学模型预测了滑翔范围，如图9中A2所示。Hou等对乌贼的3D模型进行网格划分，通过Fluent的集成预处理环境GAMBIT指定边界条件，使用RANS（reynolds average Navier-Stokes）模型计算流体运动并捕获涡旋特征，采用VOF模型作为多相流模型。最终，定量研究了乌贼水-空多模式运动的运动学和动力学信息，展现了完整的运动数据和流场信息，如图9中A3所示。

机翼的升力、浮力、压力分布问题

水空两栖生物的翅膀能够在水、空气2种介质中对自身姿态和运动角度进行调整，而这2种环境的密度相差了近3个数量级。因此对于水空两栖生物翅膀上力的分布随运动变化特点的研究一直都是该领域的重要一环。CFD技术的有效数值仿真实验可以定量再现机翼在水空多模式运动中力的分布特征。Yang等使用CFD技术重现了鲣鸟的入水，利用VOF技术计算并获得了以不同初速度入水时鲣鸟身体周围的流场和压力分布，并分析了不同浸入深度下的压力分布，如图9中B1所示。Wang等使用CFD技术研究了鲣鸟入水阶段的冲击加速度，如图9中B2所示。建立了鲣鸟运动中的3D模型，结合RANS方程与VOF技术来模拟空气-水混合流体的流动。使用预处理软件ICEM对设定的计算域进行网格划分，并选择有限体积法（FVM）求解方程。Peña等使用气动分析方法对鲣鸟的机翼与其他现有机翼对比，发现仿生机翼的升阻比最高，如图9中B3所示。

推进力仿真

生物的推进结构所提供的水空推进力是成功实现跨介质运动的重要保证。CFD技术为生物推进力测试开辟了新道路。Huang等提出了流固耦合（FSI）模型，该模型基于有限元法的瞬态动力学模块进行计算。在流体计算模块中，使用基于有限体积法（FVM）的Fluent模块进行计算。在流体模型中，使用k-ε湍流模型，流体重力（浮力）和VOF气液两相流模型进行计算，如图9中C1、C2所示。在之后的工作中，使用基于有限体积法（FVM）的集成求解器解决了两相流中可变形生物的水动力问题。最终呈现了基于计算流体动力学（FSI-CFD）流固耦合的数值物理模型解决方案，如图9中C3所示。

运动性能仿真

在研究出仿生生物的一些运动特性后，还需要对样机进行一些流体分析，比如样机推进力的定量测试和出入水过程力的分布。Yang等通过CFD技术计算了鲣鸟样机入水的冲击加速度和冲击力，如图9中D1所示，得到并分析了入水过程中的相分布和压力分布。Ramamurti等设计了一款用于浅水区起飞的混动型UAV/UUV，通过CFD技术探究飞行器滑行起飞时在不同攻角（angles of attack）下的空气动力学特性以及水下推进力的产生。前者对前翼的稳定性做了验证，后者验证了拍动鳍能够产生足够的推力，如图9中D2所示。Mathaiyan等在仿生飞鱼的过程中使用了SST k-ω模型。他们观察到共轴螺旋桨引起了机翼尾部的湍流。该发现指导了基于推杆和共轴螺旋桨的无人机推进系统的设计，如图9中D3所示。

02实验验证

计算机仿真技术需要通过一些运动、流场观测技术进行实验验证。使用运动捕捉技术（DPIV）观测生物和飞行器的水、空运动学状态。风洞、水洞技术可用来对飞行器的气动力和水动力性能进行测试。DPIV技术能够将流场可视化，揭露生物的推进机制和推进力的流场分布情况，从而探索各工况参数对推进速度场的影响规律。

运动学观测

动作捕捉技术是利用外来设备对实验目标的运动过程进行捕捉和相应的技术处理，可以测量物体在物理空间中的位置和方向，然后通过计算机编程语言记录信息。该技术可以精准提供目标移动时的运动学信息，包括速度、角度、加速度等，从而建立运动模型。

Liang等利用动作捕捉技术对鲣鸟样机进行溅落实验，得出较大的机翼后掠角、较小的下降高度和入水倾斜角可以减小样机枢轴关节的径向负荷，如图9中E1所示。同时发现，机翼载荷与下降高度、进水倾角和机翼后掠角之间的关系可用于计算样机俯冲时的机翼载荷，如图9中E2所示。Huang等利用视频图像处理技术分析了鸬鹚的脚蹼轨迹和受力特征，揭示了鸬鹚有效推动力的机制，如图9中E3所示。实验所使用的2个摄像头可以对图像标记点进行视频合成和3D运动重建。Sharker等捕捉了11种3D打印的鸟头*入水的场景，解释了跳水潜水者头部形状对*过程安全性的影响，如图9中E4所示。Zhao等利用动作捕捉技术对视频中真实动物的运动进行了捕捉，如图9中E5所示，交互式四足机器人对捕捉的图像进行模仿，从而简化了机器人运动控制器的设计，并提高了机器人的仿生度和交互能力。

升力、阻力等观测

为探究飞行器的气动力、水动力性能，需要搭建合适的实验环境。利用风洞、水洞环境和六维力传感器，研究员可以对飞行器在空中和水中的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数等进行测定，从而验证CFD对飞行器水/空动力性能的仿真结果。

Park等进行了风洞实验，研究飞鱼飞行的空气动力学特性，提供了飞鱼飞行的定性和定量数据，并对具有不同机翼形态的真实飞鱼样机进行了力测量，如图9中F1所示。他们发现飞鱼翅膀的空气动力学性能可与各种鸟的翅膀媲美，并且飞鱼具有一些与现代飞机相同的形态特征，符合空气动力学的设计。Lock等利用应变测试仪配合水洞实验，探索了样机机翼的俯仰变化对所受阻力的影响，如图9中F2所示。Izraelevitz等利用搭载六维力传感器的小型水下拖曳平台（水洞），验证了样机机翼设计的线性扑动概念，如图9中F3所示。Siddal等设计了风洞试验评估样机机翼性能和纵向稳定性，并评估了空气动力学系数和样机的入水深度，如图9中F4所示。在水洞实验中使用相同的力进行平衡，证实了风洞实验的测量。Hou等使用水下牵引平台来测试样机的水下流体动力性能，如图9中F5所示。牵引平台牵引样机运动，六轴力传感器记录三轴力和三轴扭矩，测试样机软鳍和机翼在不同的攻角下展开和折叠状态的水动力性能。还进行了风洞试验，利用高频力平衡法采集数据，研究了乌贼样机的软体鱼鳍在风洞流场下的性能。Chang等为测试飞行器PigeonBot欠驱动的软生物混合变身机翼的有效性，在风洞中对机翼进行动态弯曲和扩展，如图9中F6所示，确定了在空气动力载荷下机器人羽毛的运动能力。Luca等开发了一套仿生分离流翼（bioinspired separated flow wing），在风洞中利用六维力传感器测试了机翼的升力和阻力，在水洞中用DPIV技术获得了分离流翼周围的流场，捕获了流分离、从层流过渡到湍流，以及它们重新连接的细节，如图9中F7所示。

推进力观测

推进力观测可使用DPIV技术，其将图像处理技术与流场可视化、单点测速和多点测量技术相结合，主要用于测量复杂的瞬态流量，例如非定常流量，湍流、涡流和多相流量。主要用于测量复杂的瞬态流量，例如非定常流量，湍流、涡流和多相流量。示踪剂颗粒在激光薄板光（或自然光）辐照下散布在流体中，在垂直方向上通过相机镜头的光学膜获得运动粒子的流体图像。对粒子图像进行深度处理和分析，可以得到测量区域的二维速度场。

对于生物运动时形成的空气流场和水流场，如鸟拍打翅膀、鱼类拍打鳍等，DPIV技术可以对其进行可视化，进而深入揭示生物的推进机制，为仿生学的推进力探索提供切实可行的方法。Hedenström等使用DPIV技术对蝙蝠的尾流图像进行分析，并使用定量的尾流涡度和总循环量来推导空气动力的大小并构建尾流拓扑，成功构建了新的基于涡流的蝙蝠飞行空气动力学模型，如图9中G1所示。Young等使用基于详细机翼运动学的三维计算流体动力学进行模拟，分析了蝗虫机翼变形的空气动力学性能。之后对真实蝗虫使用烟雾可视化和数字粒子图像测速技术，验证了仿真结果，如图9中G2所示。Wen等结合DPIV与机电技术，定量测量了机器鱼的功率、尾流场和自推进速度，从而对其效率进行定量测量，如图9中G4所示。DPIV测量结果显示，同时具有伞形和钩形运动学结构的样机所产生的流动模式，其大部分特征是楔形的双行尾流结构。

此外，有学者也使用DPIV技术对喷水推进涡环进行研究，进而对乌贼喷水推进力产生机制进行分析，如图9中G3所示。

挑战与展望

01水空跨介质航行器的结构折衷

AquaUAV的设计是为了在空中和水中自由穿梭移动。在空中，样机通过升力飞行，需要轻型的机身结构和较大的翼展；而在水下，则需要重型和流线型机身。为了平衡这一矛盾，本研究从2个角度总结了解决方案。

1）设计一种多模态结构，仿照可以入水的鸟类。具体来说，就是变后掠翼在空中展开以增加升力，并在水中折叠成纺锤形以减少流动阻力。然而，现有的变后掠翼技术还不能很好地平衡在水和空气中的共同适应性。分析认为，可变刚度技术和折纸技术等一些技术的融合可能会促进样机的发展。

2）设计压载水舱，模仿海洋生物，吸水下沉，需要飞到空中时通过喷水减轻重量，从而滑翔更远的距离。该方法还有很多方向有待探索，例如研究如何缩短吸水和注水时间，如何提高水气转化效率，如何使水射流产生更大推力等。

02跨介质过程折衷

水空跨介质过程需要较大的爆发力，而在水下或空中航行时则需要稳定的输出。在现有研究中，螺旋桨可以提供稳定的输出，喷水推进可以满足大爆发力的要求，但并不稳定。因此认为，未来的研究重点将至少有2个部分：一是深入研究喷水推进的可控方式，使其兼具爆发力和稳定输出。二是将这2种推进结合起来，分时段工作。然而，这会使结构变得庞大，因此将这2种动力耦合的小型化方法是一种潜在的解决方案。然后是能源供应问题。电池是一种常见的能源，经常用于螺旋桨推进，因为电力很容易使用，但它们的能量密度有限。一些新型的燃料电池，例如小型氢氧燃料电池，可能会在未来解决这个问题。内燃机具有高能量密度，只需少量燃料即可实现长续航。然而，内燃机的大重量使得样机难以进行跨介质运动。此外，通过携带气体、液体和固体化学燃料，将化学能直接转化为动能也是一个热门话题，如电石分解、丁烷气爆炸等。综上所述，在之后的研究中，跨介质过程的燃料反应条件、反应产物的处理、样机可控性等方面仍需进一步探索。

03生物仿生度

在进化过程中，生物的身体结构趋于更好地适应环境。因此，使样机与生物具有更高的相似性一直是仿生样机的设计目标。然而，跨介质生物的身体结构复杂，必须对仿生过程的各个阶段进行深入研究。例如：如何精细收集形态数据，如何准确建模，如何获取关键特征，如何将其应用到样机中，如何评估和优化仿生学的相似性等。

本研究总结了CFD技术在生物行为再现、生物或样机推力和升力的数据采集、运动捕捉系统观察到的运动学数据的处理等方面的应用。这些研究对促进仿生样机的改进起到了重要作用。然而，现有的CFD模拟大多都基于少量参数及约束，而生物体的各种形状参数之间往往存在复杂的耦合关系。因此认为未来可能的研究方向是增加更多的参数，合理设计模型降维解耦，以获得更全面的物理模型。此外，基于一些新型复合材料、柔性结构和混合推进技术，降维后的耦合关系可以逐渐在仿生样机中实现，进一步提高样机的仿生相似性。在未来，经过大量的CFD模拟并结合样机的实验观察，可以形成样机和生物体的相似性评价体系，以进一步指导和优化仿生样机的设计。

结论

水空跨介质飞行器可极大地拓展飞行器的空间活动范围，两栖生物给予了其极大的设计灵感。本文从仿生角度入手，按照被仿生生物的生物类型分类，将近年来的仿生水空跨介质样机进行梳理总结，希望找到各类仿生样机中的设计要点及难点。进一步地，提取出机翼结构兼容性设计和能源与推进两种关键技术进行详细分析。对于机翼，变后掠翼结构简单稳定但破坏了流线型外形，而软体机翼有更高的仿生度。对于能源与推进技术，电机螺旋桨的推进效率高，而射流推进技术具有更高的瞬时功率和能量密度，有较大的研究空间，因此总结了3类有潜在价值的能源方式。或许，螺旋桨与射流推进相结合形成混动推进的方式是一种更优的方法对于样机的验证，仿真和实验相辅相成。基于CFD技术可模拟并预测生物的跨介质行为，并对机翼的空气、水动力性能和推进力仿真；运用运动捕捉技术、风洞水洞实验、DPIV技术将上述过程实验验证。

在仿生跨介质飞行器样机的研究过程中，还有很多困难需要克服，例如如何更好地克服飞行器在水下和空中2种介质中的运动适应性难题，如何在水、空2种介质中实现快速、平稳的过渡，如何克服传统的生物仿生度难题，如何进一步提高样机运动的高效率等问题，是未来需要重点关注的问题。

作者：侯涛刚、靳典哲、龚毓琰、王新阳、裴轩、杨兴帮

原文发表于《科技导报》2023年第2期

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