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Kinematic signatures of flow-induced resonance and stability limits in bio-prototypes interacting with a Kármán vortex street

物理 运动学 涡流 经典力学 机械 湍流 同步(交流) 不稳定性 流量(数学) 推进 理论(学习稳定性) 跟踪(教育) 共振(粒子物理) 边界(拓扑) 不可压缩流 控制理论(社会学) 边值问题 工作(物理) 旋涡脱落 航空航天工程 推力 角动量 统计物理学 压缩性 动量(技术分析) 流体力学 扭矩 阻力
作者
Shihao Cui,S. Liu,Dongqiu Li,Qihao Meng,Chenyang Cao,Ruida Wang,X. Yan,Xinyang Wu,Lijian Ouyang,Weiwei Yao
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:38 (3)
标识
DOI:10.1063/5.0315300
摘要

The efficient propulsion of flexible swimmers in unsteady flow is a fundamental problem in fluid–structure interaction (FSI), governed by the physical trade-off between maximizing propulsive efficiency and maintaining hydrodynamic stability. This study integrates high-fidelity computational fluid dynamics simulations with high-resolution kinematic tracking to quantify the response mechanisms of four biological prototypes with distinct geometric characteristics in a controlled Kármán vortex street. Our results reveal a morphology-driven spectrum of interaction modes comprising three distinct physical regimes: Vortex synchronization (efficiency-optimization), low-vorticity navigation (stability-prioritization), and hydrodynamic instability (physical failure). In the synchronization regime, we quantify a characteristic non-linear saturation in tail-beat frequency. This kinematic signature is consistent with a flow-induced resonance state, where phase-locking maximizes momentum extraction from the environment. In contrast, laterally compressed bluff-body prototypes are highly susceptible to destabilizing yawing moments, necessitating a spatial avoidance strategy to mitigate the risk of biomechanical failure. This work quantifies how geometric constraints dictate the physical boundary conditions for the FSI mechanism, providing a critical mechanical framework for the multi-mode adaptive control of bio-inspired vehicles in complex turbulent environments.
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