非均匀流场中鱼类运动行为和力学特性研究

The life habits and kinematic performances of fishes in different flow environments have significant reference value to the ecological regulation of hydropower projects, design of fish-way, and bionic application. Fish swimming is composed of the passive deformation caused by external forces and active movement controled by the fish. In our privious project"Numerical simulation study on fluid-flexible-body interaction in nonuniform flow", the kinematic and dynamic characteristics of the coupling motion of lifeless flexible bodies in nonuniform flow fields such as Karman Vortex street and near-wall flow are deeply studied, which have made good basis for the research in the passive deformation of fish swimming in this project. This proposal intents to conduct fish swimming experiments in three typical nonuniform flow environments, observe the kinematic performance in experiments and calculate the dynamic characteristics through numerical simultion based the obtained deformation and kinematic information.In addition of the same study on fluid-soild interaction motion of lifeless flexible bodies, the action laws of flow parameters on the coupling mechanism of active and passive flexible projects will be revealed.Moreover, the endency and evading habits of fish to flow parameters will also be summarized through contrastive analysis of the kinematic and dynamic characteristics of active fish swimming and passive deformation of flexible bodies.On this basis, then the principle and method to guide fish motion will be explored and novel fish way design and bionic application could be exploited.

不同流场环境中各种鱼类的生活习性及运动形态对枢纽生态调度、鱼道设计和仿生应用等都有重要的参考价值。鱼类运动包含了外力作用造成的被动变形和鱼体主动控制运动两部分。申请人的青年基金项目"非均匀流场中柔性体与流体耦合运动的数值模拟研究"对被动变形的无生命柔性体在卡门涡街和近壁流等非均匀流场中的耦合运动机制和力学特性进行了深入研究，为鱼类被动变形的研究打下了基础。 本项目拟在三种典型非均匀流场中开展鱼类游动试验，对鱼类运动行为进行观测，并根据试验所得的运动变形信息计算流场中鱼体运动的力学特性。结合无生命柔性物体流固耦合运动和力学性能的研究，揭示流场参数对主动和被动变形柔性物体流固耦合运动机制的作用规律；通过对比分析具有主动控制能力的鱼游运动与完全被动变形的柔性体流固耦合运动和受力的异同，归纳鱼类对流场参数的趋避习性。在此基础上探讨诱导鱼类运动的原理和方式，为新型鱼道设计和仿生应用开拓思路。

自然界中鱼类面临的生存环境变化多样，深入开展各种流场环境下的鱼游机理研究对鱼类生态保护措施的制定和相关的仿生应用等都有重要意义。. 本项目在三种典型非均匀流场中（圆柱绕流、台阶绕流、狭窄流道）开展了鲫鱼的游动试验，对鱼类运动轨迹和行为模式进行了观测，并拟合得到了不同水流条件下的鱼游运动方程，归纳总结了各运动参数（频率、摆幅、波长等）随来流的变化规律。此外，本项目还针对无生命的柔性物体在运动流场中的耦合运动和力学性能进行了深入研究，归纳总结了多个柔性物体在流场中的耦合运动模式和受力特性随各影响参数（流速、材料参数、排列间距等）的变化规律。以期通过对比分析鱼类对水流环境的运动响应规律。本研究取得的主要结果有：. 1. 搭建了一套可实现对多个鱼体或者柔性体在不同流场中的运动进行观测的实验平台，开发了一套可实现对刚性和柔性物体流固耦合运动和力学特性进行数值模拟分析的计算方法，可为相关和类似问题的求解提供方法上的参考。. 2. 在实验范围内，鱼在均匀流场中的摆尾频率和摆幅均与来流速度呈正相关关系。流道宽度对鱼的运动影响很小，只有在流道非常狭窄（约两倍体厚）时，其摆动幅度稍有受限。. 3. 在合适尺寸和强度的旋涡中鱼类会采取卡门步态运动。此时其摆动频率与涡街脱涡频率一致，明显低于在均匀来流中的值，且鱼体各部位的摆幅明显增大，身体变形波长变长。. 4. 鲫鱼在台阶绕流流场中可能出现滞留、上溯和下行等行为模式。其中上溯有沿主流区直接上溯和沿回流区游至角窝区再顺台阶上溯两种典型路径。行为模式出现的频率和运动路径的选择与来流速度、旋涡结构等都密切相关。. 5. 受流场结构影响，无生命的柔性体在流体中的运动和受力特性可能发生显著变化，其耦合机制与具有主动控制能力的鱼体模式选择有明显不同。.本项目的研究将加深对鱼游运动机理的认识，有利于探讨鱼类运动的诱导、控制原理和方式，为新型鱼道设计、鱼类保护和仿生应用开拓思路。