基于数值的鲫鱼游泳能力影响参数分析

摘要

鱼类游泳行为机理及游泳能力的影响因素是目前鱼类仿生学研究的热点问题。本文选取鲹科游动模式（carangiform）的典型—鲫鱼（crucian carp）作为研究对象，采用数值模拟的方法，利用动网格技术结合用户自定义函数（UDF），围绕运动参数、鱼体体型及游泳环境（壁面边界），以仿生鲫鱼到达动态稳定的巡游速度这一过程衡量鲫鱼游泳能力，对鲫鱼游泳能力的影响开展研究。结果表明：当摆动频率在0.07～5.50 Hz之间，摆幅系数在0.03～0.06之间，随着鱼体摆动频率和摆动幅度的增大，仿生鲫鱼获得动态稳定巡游速度的时间逐渐缩短，且巡航游速相应增加。将不同厚长比、体长的鲫鱼经过量化处理后进行数值计算，研究结果表明：以相同的摆幅和摆频向前游动，厚长比与游泳速度呈负相关，当厚长比小于0.166，仿生鲫鱼可获得更快的游泳速度；体长方面，将仿生鱼的体长设置为L，仿生稚鱼可更快速地到达巡游阶段，但到达动态稳定的巡航游速较低，约为0.6L s^-1，仿生幼鱼在加速阶段速度较快，巡游阶段与仿生成鱼的动态稳定巡航游速基本一致，约为1L s^-1；鱼体在壁面附近游动所产生的壁面效应会导致游泳速度降低，且双侧壁面对仿生鲫鱼游泳速度的影响较单侧壁面更为显著，当鱼体距单侧壁面0.5L，距双侧壁面0.8L时将不受壁面的影响。本文的研究结果可为鱼类仿生学研究提供有益参考。

关键词

鲫鱼 / 自主游动 / 数值模拟 / 影响参数 / 壁面效应