跨介质飞行器综合了飞机、水面舰和潜艇的优点,集高速、隐蔽和攻击性于一体,有着传统飞行器和水下航行器无法实现的多功能优势。由于空气和水的密度相差甚远,它们的流体动力学特性有很大区别。要设计一种在空气和水中都有优良性能的跨介质飞行器非常困难。飞鱼作为自然界真实存在的一种跨介质生物,能够轻松自如地实现在空气和水中的切换,有着优异的两栖特性,可作为我们设计跨介质飞行器的模仿对象。本文着重研究飞鱼的空中滑翔性能。通过模仿一种Cypselururs hirarii飞鱼的外形,建立飞鱼的三维模型,对飞鱼进行流体力学数值模拟与动力学仿真。数值模拟采用基于有限体积法的OpenFOAM开源平台,湍流计算采用DDES。数值模拟比较了三种不同飞鱼模型的升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数等气动参数随迎角的变化规律,并与前人风洞实验的结果进行了对比,结果吻合良好,并与其他飞行类动物进行了对比,结果显示飞鱼的气动性能与鹰、海燕、木鸭等处于同一水平。具体的,我们对飞鱼的尾流拓扑结构进行了分析,发现在迎角较小时,流动很好地附着在胸鳍表面,升力系数随迎角线性增加,而当迎角增大到10°时,气流从胸鳍后缘分离,形成大尺度的涡结构脱落到下游,并且由于后缘的前掠和非常尖锐的翼尖,脱落的后缘涡在向下游运动时会逐渐向对称平面靠拢。进一步,我们建立了纵向平面内的三自由度动力学仿真模型,首先基于前人风洞实验所得的气动数据进行了不同初始条件下飞行轨迹的仿真,分析了飞鱼空中滑翔的最大水平距离和最大高度随初始迎角、发射角的变化规律,找到了使飞鱼获得空中飞行最大水平距离的初始工况。采用相同的三自由度模型,我们也采用本文数值模拟所得的气动参数进行了飞行轨迹的预测,并与基于实验结果的轨迹预测进行了对比。研究表明,飞鱼最大水平飞行距离可达45m,最大飞行高度可达13m,这一结论与生物学家的实地观测结果非常吻合,证实了我们的仿生模型可以很好地复现真实飞鱼的空中滑翔性能。