并列仿生鱼自主游动的数值模拟研究.pdf

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1、第31卷第1期计算力学学报Vo1．31，No．12O14年2月ChineseJournalofComputationalMechanicsFebruary2014文章编号：1007—4708(2014)01—0103—07并列仿生鱼自主游动的数值模拟研究王亮，王明，付强，苗仁德(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：采用自适应浸没边界方法，数值模拟了两条并列仿生鱼在不同间距下的同相位和反相位自主游动。通过与相同游动参数下单条仿生鱼自主游动的比较，可以得到结论：(1)并列自主游动的速度小于

2、单条鱼游动的速度，并且随着间距减小而减小。相同间距下，反相位并列游动时的速度大于同相位；(2)并列游动时的阻力均大于单条鱼，且随着间距减小而增大；(3)反相位游动时功率消耗随间距减小而增大，但同相位游动则相反；(4)当间距大于0．5个身长时。推进效率都略有增大。所以，在综合考虑了游动速度和推进效率两方面的因素后认为，鱼群中并列相邻的两条鱼应当以反相位摆动，且侧向间距保持在0．5个身长以上，这与自然界中观察的结果是一致的。关键词：并列；侧向间距；自主游动；速度中图分类号：035文献标志码：Adoi：10．75l1／jslx2O14O1O18阻机理。l引言但是，已有研究[3“采用的模型都是鱼在均匀

3、鱼类的群游是自然界中一种非常普遍的自然来流下的原地摆动，这种模型无法保证仿生鱼达到现象，生物学家的观测发现，809／6的鱼类具有群游自主推进状态。所谓自主推进状态指的是鱼匀速特性，尤其是小型鱼类，几乎是100具有群游特巡游时运动方向上合力为零的状态。对于真实的性。除了生物学上增强对抗天敌的能力，降低被捕鱼来说，游动速度是随着游动参数(如摆动频率，摆食的几率，提高觅食效率，并增进鱼类之间的交往动幅度等)的变化而变化的。当仿生鱼在均匀来流和繁殖等原因外，从流体力学的角度来看，更为重下进行原地摆动时，如果来流速度不随着摆动参数变化而变化，那么自主推进状态就无法达到，从而要的是，鱼类群游能够增强鱼类自

4、身的运动能力并提高游动效率。会导致数值模拟结果无法反应鱼游真实的水动力学特性。目前，关于鱼类游动的研究大多集中在单条鱼本文作者[5在研究三条仿生鱼自主游动中的的游动上，涉及鱼类群游的很少。2O世纪7O年减阻机制时，发现三条仿生鱼在摆频不同的情况下代，WeihsEl3假定鱼群中相邻的鱼以同相位摆动，能够以相同的速度游动，但前面两条并列仿生鱼的并利用无粘模型分析了鱼群游动的水动力学特性，游动速度要小于相同参数下单条鱼游动的速度。发现这种相互干扰可以使得游动时阻力减少，推力是两条鱼并列游动时的侧向相互作用导致速度下增加，能耗降低；Partridge和PitcherL2通过实验观降?还是第三条仿生鱼的

5、影响造成的呢?文献Es]察发现鱼群中相邻的鱼都是以反相位摆动的。无法给出明确的答案。董根金和陆夕云L3]利用有限元方法对鱼群的为了进一步揭示鱼群游动中奥秘，本文研究了并列巡游进行了数值模拟，发现同相位摆动可以节并列仿生鱼在静水中自主游动时的水动力学特性，省功耗，而反相位可以增大推力；张来平等L4采用分析了侧向间距和相位差对游动速度、阻力、功耗、动态混合网格生成方法以及不可压缩流非定常计推进效率以及尾涡结构的影响，为深入了解鱼群的算方法，研究了鱼类“钻石”状群游流动干扰及其减游动机理提供了基础。收稿日期：2012-04-17；修改稿收到日期：2012—09-28．2物理模型基金项目：国家自然科学

6、基金(11102232)；解放军理工大学预研基金(20110508)资助项目．2。1鱼游摆动规律和参数作者简介：王亮(1979一)，男，博士，讲师(E—mail：wangliang49101@163．com)．本研究采用够科模式的摆动规律]，鱼体中线计算力学学报第3l卷摆动规律为计算区域采用四叉树结构进行网格划分，该h(x，￡)一口(z)sin(kx-wt+)(1)结构非常适用于自适应网格；求解泊松方程时采用式中a(z)一a。十a1z+a232。(O≤≤1)为振幅，了多重网格法，对流项的离散采用二阶迎风格三个系数分别取为a。一0．02，a一一0．08和a一式嘲。动边界采用ghost—cell浸

7、没边界方法。来0．16；波数为k一2兀，波长取为—o．95，圆频率处理。该数值算法在空间和时间上都具有二阶精一2／丁，摆动周期取为T一1．0，为初始相位。度，其详细描述可参考文献[7]。图l给出了并列仿生鱼反相位摆动时的示意2．4计算区域和初边条件图，上面的鱼称为鱼1，下面的鱼称为鱼2，侧向间计算区域取为16×4，四个边界上都取为第二距为d。本文采用无量纲计算，以鱼体长度为特征类边界条件，即3u／