自主游动鱼群中的节能机制研究

Swimming in school is the general behaviour of fish which is of benefit to enhancing swimming efficiency and saving energy. Revealing the mechanism of energy saving and optimal shape of fish school will contribute to the understanding of the secret of nature and help to guide the behaviour and control of bionic fish school, which have important value of science and application. The main study contents include: (1) Availability and reliability of the novel numerical method used to simulate the self-propelled fish swimming in the simulation of fish school swimming. (2) Numerical investigation of the hydrodynamics of basic element of fish school at different Reynolds number are carried out. The optimal shapes of fish school are obtained by comparing swimming velocity, vortex structure ,energy consuming, Froude efficiency with those of single fish. The results will contribute to reveal the mechanism of energy saving of self-propelled fish school swimming.

群游是鱼类所普遍具有的特性，它能够有效提高鱼类自身的游动效率，达到节能的目的。揭示鱼群游动的节能机制和最优队形排列规则，有助于人们了解大自然的奥秘，并能够有效指导仿生机器鱼的群游行为和控制，具有重要的科学意义和应用价值。主要研究内容：（1）开展基于摆频控制和摆幅控制的仿生鱼自主游动数值模拟新方法在鱼群自主游动中的有效性和可靠性研究；（2）系统研究不同雷诺数下两条、三条和多条仿生鱼在自主游动情况下的水动力学特性。通过与单条仿生鱼自主游动的对比，分析雷诺数和各种排列方式对游动速度、能耗、推进效率和尾涡结构的影响，得出最节能的鱼群排列规则，为揭示鱼群游动的节能机理提供理论基础。

群游是鱼类所普遍具有的特性，它能够有效提高鱼类自身的游动效率，达到节能的目的。揭示鱼群游动的节能机制和最优队形排列规则，有助于人们了解大自然的奥秘，并能够有效指导仿生机器鱼的群游行为和控制，具有重要的科学意义和应用价值。本项目采用基于浸没边界方法和自适应网格投影法相结合的数值模拟方法，系统研究了单条、两条、三条和多条仿生鱼在自主游动情况下的水动力学特性，得出如下研究结果：（1）提出了一种类似汽车换档的仿生鱼最节能游动方式。仿生鱼根据游速所处的不同范围像汽车换档一样切换不同的摆幅，而摆频就像汽车的油门一样可以在该游速范围内用来调节具体的游速；（2）提出了一种鱼群自主游动的方向和速度控制策略。游动速度利用摆频来进行控制，游动方向利用鱼体前部摆动来进行控制，鱼体前部的弯曲方向即为游动的调整方向，鱼体前部用来控制方向的部分越长则转弯半径越小；（3）并列游动会导致阻力和能耗增大，且侧向间距越小，能耗越高。因此，鱼群在游动过程中侧向间距至少应保持在0.5个身长以上；（4）串列游动时，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。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%。（5）鱼群游动中，前列鱼的“槽道效应”对后面的鱼影响很小，节能主要来自对正前方鱼尾涡的利用。本项目研究成果为机器鱼的开发与应用提供了理论基础。