力學所揭示流體中自推進物體的長程相互作用機理

　　自然界中很多動物都存在集群運動行為，比如魚和鳥。在這些司空見慣的現象背后，存在著很多科學上的未解之謎。其中物理學家最為關心的兩個問題是：首先，作為流體中的自推進系統，它們形成穩定結構的機理是什么；其次，穩定結構的集群式運動是否有利于降低個體的能耗。

　　《物理評論快報》（Physical Review Letters）近期刊發了中國科學院力學研究所非線性力學國家重點實驗室的論文“Flow-mediated interactions between two self-propelled flapping filaments in tandem configuration”，報道了他們在該領域的最新研究進展。

　　力學所的研究人員通過前后放置的兩個細絲來考察自主推進物體在流體中的相互干擾問題。他們在兩個細絲的頭部施加垂直方向的簡諧振動來產生驅動，在水平方向則不設置任何約束。通過數值模擬的方法，他們研究了這樣兩條前后游動的“機械”魚之間的相互作用。

　　該項研究有兩個重要發現：一是在兩者的驅動頻率和振幅完全相同的條件下，兩條“機械”魚會自發形成穩定的分離距離。此時，后面游動的細絲始終從前面細絲形成的尾渦的渦核中穿過。二是驅動前面細絲所需的功率始終大于或等于驅動后面細絲的功率。后面運動的細絲省力的原因在于前面細絲的尾渦結構在垂直于前進的方向上產生了較大的誘導速度，從而有利于后面物體在運動中“借力”。在尾渦結構有利的情況下，驅動后面細絲游動的功率僅相當于前面細絲的80%。這項研究揭示了自推進物體在流體中以渦為媒介實現長程相互作用的機理。這個關鍵機理的發現對于深刻認識魚群等宏觀自推進系統的自組織行為具有重要的意義。

　　上述發現還提示，自推進物體間的干擾問題遠比固定于流場中的多個物體的干擾問題復雜。對后一類問題，經驗和理論都告訴我們“前面物體受到的阻力比后面的物體大”。然而，康乃爾大學和紐約大學2008年的實驗表明，對于兩個柔性變形體（如飄揚的旗子），則可能出現前面物體阻力反而較小的“反常”現象。他們進而將魚群和流體中的多個柔性體進行了類比，并猜測上述的“反常”阻力現象也可能出現在魚群中（即在前面“領游”的魚可能更省力）。力學所的這項研究則表明，上述的“反常”現象并沒有在自推進系統中出現。此外，Weihs 曾在1973年提出了一個魚群的簡化流體力學模型，并由此推斷菱形編隊最有利于節能（“一”字形編隊則無法節能）。然而，這種 “最優”的菱形編隊在自然界中卻并沒有被觀察到。力學所的這項研究間接地指出了Weihs模型的缺陷，并以實例說明“一”字形編隊完全可以達到節能的目的。

　　該研究得到了國家自然科學基金面上項目、中科院知識創新項目以及科技部“973”項目的支持。相關的數值模擬工作在國家超級計算天津中心完成。