锦鲤常规自由游动的流动物理研究

论文摘要

鱼类在自然选择中形成了丰富多样、各具特色的游动本领,同时仿生机器学蓬勃兴起,迫切要求人们更深入地认识鱼类的机动运动机理。近年来,尽管实验技术进步迅速,但对鱼类机动运动机理的认识仍亟需深入,对鱼类游动运动链的一体化研究成为一大趋势。为此,本论文针对该运动链的末端,即“鱼体-流体”相互作用问题,做了以下新的工作:一、率先提出了鱼体作为变形体的动力学控制方程,以此建立鱼体动力学方程与非定常流体力学方程的一体化求解方法。该方法适用于数值模拟“主动变形动作→流体动力响应→鱼体运动结果”的运动链,为研究鱼的自主机动运动机理构建了一个二维的基础平台。二、运用该二维平台研究了锦鲤的加速-滑行游动。根据锦鲤的跟踪测量实验结果,研究了其自由游动中最常见的形式:加速-滑行游动。加速-滑行属于常规的自由游动,其特点是鱼体动作由摆尾与伸直交替构成,基本沿直线运动,有加速和减速两个阶段。论文通过数值模拟揭示了该游动方式的力学机理和流动物理特征,探索了该游动方式中锦鲤对其运动和力能学性能的主要控制机制。其中力能学的计算发现在相同平均速度的条件下,加速-滑行游动方式与巡游方式相比效率较低,输出功率较高,从而更正了前人从实验估算得到的加速-滑行游动耗能较少的认识。三、研究了锦鲤的常规转弯。实验中发现常规转弯,尤其是单摆尾转弯是锦鲤在自由游动中最常用的转弯方式,也属于常规的自由游动。本文研究了单摆尾转弯和巡游转弯两种转弯模式的非定常流动物理和流体动力学特征;通过比较常规转弯两种方式的机动性能和力能学特性,揭示了常规转弯所共有的动力学和流动控制规律以及两种方式的不同特点。计算结果给出了锦鲤常规转弯中的机动性能和力能学性能的若干重要控制规律,如敏捷性与机动性成正相关的关系,输出功率与转速成良好的线性关系,单摆尾转弯的效率高于巡游转弯。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 鱼类游动的生物力学研究现状
• 1.2.1 鱼游的生物力学的发展趋势
• 1.2.2 鱼类运动链的一体化研究
• 1.2.3 机动运动的要素:自由游动与自主游动
• 1.3 本文的工作
• 第2章 鱼自主游动的控制方程和联立求解方法
• 2.1 引言（鱼自主游动的力学问题）
• 2.2 变形体动力学的理论:控制方程
• 2.2.1 变形体模型
• 2.2.2 鱼体作为变形体的动力学方程
• 2.3 非定常流体力学的控制方程
• 2.3.1 边界条件与初始条件
• 2.3.2 Navier-Stokes方程组数值求解方法
• 2.4 鱼体动力学与流体动力学的一体化求解方法
• 2.4.1 一体化求解方法
• 2.4.2 动力学和力能学参数的计算
• 2.4.3 计算程序验证（verification）和确认（validation）
• 2.5 自主游动数值模拟实例:鳕鱼的巡游
• 2.5.1 鳕鱼巡游的力学模型
• 2.5.2 鳕鱼巡游数值模拟结果
• 2.6 本章小结
• 第3章 锦鲤加速-滑行游动的机理
• 3.1 引言
• 3.2 锦鲤加速-滑行游动的动力学机理
• 3.2.1 身体与尾部动作特征
• 3.2.2 流体动力学机理和流动特征
• 3.2.3 鱼体动力学和机动运动特征
• 3.3 锦鲤加速-滑行游动的力能特性及控制规律
• 3.3.1 加速-滑行好，还是巡游好?
• 3.3.2 多摆尾与单摆尾:摆尾次数的选择
• 3.3.3 锦鲤加速-滑行的主要控制手段
• 3.3.4 几点讨论
• 3.4 本章结论
• 第4章 锦鲤常规转弯运动的机理
• 4.1 引言
• 4.2 转弯机动的基本概念
• 4.3 锦鲤常规转弯的基本特征
• 4.3.1 单摆尾转弯的动作模式
• 4.3.2 单摆尾转弯的流体动力学机理和流动特征
• 4.3.3 单摆尾转弯的鱼体动力学和运动学特征
• 4.3.4 巡游转弯的特征
• 4.4 锦鲤常规转弯的力能学特性和控制因素
• 4.4.1 常规转弯（单摆尾转弯与巡游转弯）的性能
• 4.4.2 常规转弯的主要控制和影响因素
• 4.5 本章结论
• 第5章 结语
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在读期间发表的学术论文