串列仿生鱼自主游动的数值模拟研究.pdf

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1、第3O卷第5期计算力学学报Vo1．30，No．52O13年l0月ChineseJournalofComputationalMechanicsOctober2013文章编号：1007—4708(2013)05—0727—06串列仿生鱼自主游动的数值模拟研究王亮，王明，付强(1．解放军理工大学气象海洋学院，南京211101；2．大连理工大学水利工程学院，大连116024；3．黄河水利科学研究院，郑州450003)摘要：采用自适应网格下的ghost-cell浸没边界方法，数值模拟了两条串列仿生鱼在相同摆频条件下的自主游动，并

2、通过引入节能效率的概念分析了串列游动中的节能效果。通过与相同参数下单条仿生鱼自主游动的比较，发现串列仿生鱼的自主游动速度要大于单条鱼的速度。下游鱼的阻力会增加，但功耗会减少，表明下游鱼从上游鱼的尾涡中吸收了能量，达到了节能的效果。当水平间距较小时，下游鱼会对上游鱼产生一定的反推作用，从而使其阻力减小。结果还表明，高推进效率并不意味着高节能效率，从整体平均节能效果来看，反相位游动时节能效果比同相位时显著，平均节能效率达到22．4。关键词：串列；自主游动；推进效率；节能效率中图分类号：035文献标志码：Adoi：10．75

3、11／jslx201305023的正后方时，来流具有较大的相对速度，会导致其1引言阻力增加。但是，Gopalkrishnan等[4]发现做俯仰鱼类的群游是自然界中一种非常普遍的自然震荡的翼型可以从来流的涡旋中吸收能量来提高现象。生物学家的观测发现，8O的鱼类具有群游推进效率。Liao等[5]通过实验研究了D型圆柱下特性，尤其是小型鱼类，几乎是100具有群游特游鱼的水动力学特性，结果表明，鱼可以从来流涡性。鱼类为什么具有群游特性?除了生物学上增中吸取能量从而减少肌肉的活动。Deng等采用强对抗天敌的能力，降低被捕食的几率

4、，提高觅食浸没边界法数值模拟了两条仿生鱼的串列游动，结效率，并增进鱼类之间的交往和繁殖等原因外；从果显示下游的鱼也并不总是阻力增大。虽然Deng流体力学的角度来看，更为重要的是，鱼类群游能等[6]的研究部分揭示了两条鱼串列游动中的水动够节约能量和提高游动效率。由于鱼群游动的水力学特性，但由于这些结果都是在仿生鱼未达到自动力学特性异常复杂，而且依赖于鱼与鱼之间的相主推进状态时得到的，因此与真实游动情况存在一互作用，所以单独研究两条鱼串列和并列游动有利定的偏差。关于完全自主推进状态下串列仿生鱼于深入揭示鱼群游动中的节能机制

5、。自主游动的研究尚未在文献中报道。关于鱼群游动中的节能机制，weihsL1提出了此外，如何评估鱼群游动时水动力学性能的提一种“槽道效应”假设，认为鱼群游动时的最优阵型高也是一个值得讨论的问题。SchultzL7建议用类是一个伸长的菱形。王亮等[2]数值模拟了三条鱼似汽车性能中“milespergallon”的能耗指标来衡排列为三角形时的自主游动，发现三条鱼在摆频不量鱼类的游动性能。Tytell[8]认为高推进效率不同的情况下能够以相同的速度游动，证实“槽道效一定意味着节能。所以本文通过定义一个类似汽车性能中“百公里油耗

6、”的量引入了节能效率的概应”在鱼群游动中的确起到了节能作用。念，并用它分析了串列仿生鱼在各种工况下自主游如果一条鱼位于前面两条鱼的中间时，“槽道动时的节能效果。本研究将有利于揭示鱼群游动效应”起到了节能的效果，那么当一条鱼位于另一中另一种重要的节能机制——“旋涡控制”。条的正后方时是否也会节能呢?节能的机制又是什么呢?Weihs等认为当一条鱼位于另一条鱼2物理模型和数值方法收稿日期：2012-05—02；修改稿收到日期：2012-10—282．1鱼游摆动规律和参数基金项目：国家自然科学基金(1I102232)资助项目．

7、本文采用无量纲计算，以鱼体长度为特征量进作者简介：王亮’(1979一)，男，博士，讲师(E—mail；wangliang491O1@163．com)．行无量纲化，鱼身厚度与NACAOO12翼型相同。计算力学学报第3O卷鱼体中线摆动规律L9为通过一种混合判断准则E123来确定局地网格是加密h(x，￡)一以(z)sin(kx—cot+)(1)还是变稀疏，该准则可以保证鱼体周围和涡量较大式中n(z)一Ⅱ。+n1z+a2z。(O≤z≤1)为振幅，区域始终保持网格最密。三个系数分别取为n。一0．02，n一一0．08和n一本文主要

8、研究两条仿生鱼在摆频为f一1．00．16；波数为是一27c，波长取为一0．95；圆频时的串列游动，在文献E123中，对单条仿生鱼在厂一率∞一2-厂，f为摆动频率，声为初始相位。1．0时的自主游动进行了网格无关性检验，根据该图1给出了串列仿生鱼反相位摆动时的示意结论，本文所有模拟中自适应网格的最小尺寸均取图，前面的鱼称为鱼1，后面的