金枪鱼小鳍偏转模型数值研究

【作者】 张钧铎； 韩鹏； 许春晓； 黄伟希；

【机构】 清华大学工程力学系；

【摘要】 金枪鱼是一类以优越游动能力著称的大型海洋鱼类,可以进行快速巡航游动、高速爆发游动以及长距离迁徙。金枪鱼进化了多种适应性特征与特化结构,例如:流线型的身体、新月形的鳍、尾部龙骨结构(Caudal keels)以及小鳍(Finlet)等等,并且被认为往往具有提升游动性能的作用。其中,小鳍是两列分别位于身体上下中线的可独立活动的三角状小型鱼鳍。尽管小鳍吸引了来自不同领域的研究,但这一结构对金枪鱼游动的影响以及背后的作用机制仍未形成定论。先前研究中不同的小鳍模型可能导致不同的结论,因此建立合理的小鳍模型是探究小鳍作用机制的基础。另一方面,对活体金枪鱼以及鲭鱼游动的观察均发现了小鳍偏转运动被动与主动控制的证据。为此,本研究针对金枪鱼小鳍建立了数值模型,提出了小鳍偏转运动的被动与主动控制模型,并与基于实验数据拟合得到的给定运动模型进行了对比。在被动模型中,小鳍的偏转运动与实验拟合结果定性上一致,但偏转幅值随小鳍变化趋势表现出显著差异。对比被动模型与给定模型,发现被动模型中流体力矩阻碍小鳍进一步偏转,而给定运动模型中小鳍在流体力矩阻碍下仍会进一步偏转,表明金枪鱼对小鳍存在主动控制。因此,在小鳍根部施加主动控制力矩以模拟金枪鱼对小鳍偏转运动的主动控制,并由本文数值模拟结果与实验测量偏转运动数据拟合得到了控制方程。对当前主动控制模型进行流固耦合模拟,所得小鳍偏转运动规律与实验数据拟合结果符合较好,实现了与观测结果接近的小鳍偏转运动。更多还原