斑马鱼C型起动中动力学特性的活体实验研究

提出了一种从鱼类自主游动的运动学实验数据出发推算其动力学特性的实验研究方法。该方法基于变形体动力学方程,不仅可以计算出变形鱼体的整体转动角速度以完善其运动学数据,还可以计算出作用在自主游动的鱼体上的流体合力和流体合力矩,进而分析鱼体的力能学特征。本文运用此方法研究了斑马鱼的两种典型C型起动,对比分析了它们的运动学及力能学特征。结果表明,在相仿的C型弯曲变形下,逃逸型C型起动与非逃逸型C型起动相比,前者推力较大,导致其在前进方向上的质心速率较大;前者侧向力较大,导致其转弯半径较小;前者转矩较大,但因在起动中后期的S型摆动产生了反向转矩,最终导致转动角度小于后者。通过对两种典型C型起动的实验研究发现,斑马鱼会因不同的运动需求而表现出不同的机动性能。

草金鱼C型起动流场的PIV测量

鱼类的C型快速起动常常用于逃脱危险的过程中,是鱼类最重要的机动能力之一。本文利用二维粒子图像测速(Particle Image Velocity,PIV)技术对草金鱼C型起动过程中的鱼体周围流场进行了测量和分析。结果表明,在第三阶段为减速静止的情况下,第二阶段的加速过程很短,而第一阶段的加速更为明显,第一阶段与第二阶段的时长比为1:5.25;草金鱼的C型起动过程主要依赖附加质量效应产生推力。C型起动的尾迹流场具有逆卡门涡街的特征,较大的身体弯曲度使得鱼在舒展摆尾的过程中连续产生了方向相同的两个涡,而且涡在脱离鱼体后由于受到鱼后续行为和高速射流区的影响,其强度经历了先增大再降低的过程。

基于曲率模型的斑马鱼C型转弯和逃逸的力能学比较（英文）

斑马鱼C型起动不仅发生于逃逸响应(C型逃逸),而且发生于非逃逸响应(C型转弯)。它们具有不同的变形模式和周期,并且运动学性能各异。在相同的弯曲幅度下,C型转弯实现更大的转弯角度,而C型逃逸则具有更快的游动速度。但尚不清楚它们的水动力学机制和力能学特征。本文针对C型转弯和逃逸的变形特征,建立新的曲率模型,采用优化算法拟合模型参数。通过自主游动数值模拟,发现C型转弯实现大转弯的机制在于:弯曲阶段存在比较大的正向力矩,而回摆阶段存在比较小的反向力矩;而C型逃逸在回摆阶段存在比较大的推力,导致反向力矩增大和转弯角度变小。还发现周期对转弯角度的影响不大,但对逃逸速度和能量消耗影响显著。因此,C型转弯为了节省能量,周期通常在100ms以上;而C型逃逸为了追求高速度,周期则在50ms附近。