非均勻流場中魚類運動行為和力學特性研究

《非均勻流場中魚類運動行為和力學特性研究》是依託武漢理工大學，由王思瑩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非均勻流場中魚類運動行為和力學特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王思瑩
• 依託單位：武漢理工大學

項目摘要

不同流場環境中各種魚類的生活習性及運動形態對樞紐生態調度、魚道設計和仿生套用等都有重要的參考價值。魚類運動包含了外力作用造成的被動變形和魚體主動控制運動兩部分。申請人的青年基金項目非均勻流場中柔性體與流體耦合運動的數值模擬研究對被動變形的無生命柔性體在卡門渦街和近壁流等非均勻流場中的耦合運動機制和力學特性進行了深入研究，為魚類被動變形的研究打下了基礎。 本項目擬在三種典型非均勻流場中開展魚類遊動試驗，對魚類運動行為進行觀測，並根據試驗所得的運動變形信息計算流場中魚體運動的力學特性。結合無生命柔性物體流固耦合運動和力學性能的研究，揭示流場參數對主動和被動變形柔性物體流固耦合運動機制的作用規律；通過對比分析具有主動控制能力的魚游運動與完全被動變形的柔性體流固耦合運動和受力的異同，歸納魚類對流場參數的趨避習性。在此基礎上探討誘導魚類運動的原理和方式，為新型魚道設計和仿生套用開拓思路。

結題摘要

自然界中魚類面臨的生存環境變化多樣，深入開展各種流場環境下的魚游機理研究對魚類生態保護措施的制定和相關的仿生套用等都有重要意義。 本項目在三種典型非均勻流場中（圓柱繞流、台階繞流、狹窄流道）開展了鯽魚的遊動試驗，對魚類運動軌跡和行為模式進行了觀測，並擬合得到了不同水流條件下的魚游運動方程，歸納總結了各運動參數（頻率、擺幅、波長等）隨來流的變化規律。此外，本項目還針對無生命的柔性物體在運動流場中的耦合運動和力學性能進行了深入研究，歸納總結了多個柔性物體在流場中的耦合運動模式和受力特性隨各影響參數（流速、材料參數、排列間距等）的變化規律。以期通過對比分析魚類對水流環境的運動回響規律。本研究取得的主要結果有： 1. 搭建了一套可實現對多個魚體或者柔性體在不同流場中的運動進行觀測的實驗平台，開發了一套可實現對剛性和柔性物體流固耦合運動和力學特性進行數值模擬分析的計算方法，可為相關和類似問題的求解提供方法上的參考。 2. 在實驗範圍內，魚在均勻流場中的擺尾頻率和擺幅均與來流速度呈正相關關係。流道寬度對魚的運動影響很小，只有在流道非常狹窄（約兩倍體厚）時，其擺動幅度稍有受限。 3. 在合適尺寸和強度的旋渦中魚類會採取卡門步態運動。此時其擺動頻率與渦街脫渦頻率一致，明顯低於在均勻來流中的值，且魚體各部位的擺幅明顯增大，身體變形波長變長。 4. 鯽魚在台階繞流流場中可能出現滯留、上溯和下行等行為模式。其中上溯有沿主流區直接上溯和沿回流區游至角窩區再順台階上溯兩種典型路徑。行為模式出現的頻率和運動路徑的選擇與來流速度、旋渦結構等都密切相關。 5. 受流場結構影響，無生命的柔性體在流體中的運動和受力特性可能發生顯著變化，其耦合機制與具有主動控制能力的魚體模式選擇有明顯不同。 本項目的研究將加深對魚游運動機理的認識，有利於探討魚類運動的誘導、控制原理和方式，為新型魚道設計、魚類保護和仿生套用開拓思路。