鱼群游动中的能耗与尾迹中射流分布的关系

（a）鱼群游动时的涡量场（b）自然界中的鱼群

鱼游摆动中轴线上水平时均速度的分布

水平时均速度在纵向截面上的分布 (a) Re=300, (b) Re=1000, (c) Re=5000, (d) Re=∞

据中国科学报：最近的一项研究提示, 鱼游尾迹中的射流不仅为其提供了推力，而且会对自身和下游鱼的阻力、能耗产生较大影响，为深入理解鱼群的节能机制和最优排列方式提供了线索。

这篇名为“鱼游尾迹中射流分布特征的数值模拟研究”的研究论文发表于《中国科学: 物理学 力学 天文学》2013年第9期。由解放军理工大学气象海洋学院王亮博士担任通讯作者撰写。

生物学家观测发现, 80%的鱼类具有群游特性, 尤其是小型鱼类, 几乎是100%具有群游特性。除了生物学上增强对抗天敌的能力，降低被捕食的几率，提高觅食效率，并增进鱼类之间的交往和繁殖等原因外，从流体力学的角度来看，鱼类群游能够节约能量和提高游动效率。长期以来, 揭示鱼类游动中的推力产生机理, 了解鱼群游动中的节能机制始终都是研究者们孜孜不倦的追寻目标。

在鱼游的推力产生机理方面, 一般认为, 鱼类自主游动时尾迹中产生的反卡门涡街可以诱导出向后的射流, 从而产生抵消阻力的推力。因此，有研究者提出一种假设，认为当一条鱼位于另一条鱼的正后方时, 来流具有较大的相对速度, 会导致其阻力增加, 从而需要付出更多额外的功。但这一假设并未得到实验和数值模拟的证实。探索鱼游尾迹中射流的分布特征及其对能耗的影响，对于理解鱼群游动中的节能机制和最优排列方式具有重要意义。

该研究的创新之处在于利用摆频控制方法，数值模拟了两条鱼在特定雷诺数下的串列和交错自主游动，并与相同条件下单条鱼的自主游动进行了比较。研究结果表明：鱼游尾迹中的确存在着一个射流区，为鱼的游动提供推力；但在射流区存在的同时，也存在着一些低速区，这些低速区与鱼群中的节能机制密切相关。

该研究发现两条鱼串列游动时，当距离较近时，虽然下游鱼的阻力会增加，但能耗反而会减少；当距离较大时，下游鱼的阻力和能耗都会减小，这与前人的理论假设正好相反。更有趣的是，当两条鱼距离较近时，上游鱼的阻力和能耗也会减小，这主要是尾迹中的射流撞到下游鱼的头部后, 产生一个相对于单条鱼游动时更大的反作用力造成的。

该研究发现对于理解鱼群游动中的节能机制和最优排列方式具有重要理论意义。此外，对于未来机器鱼的群游行为控制有着重要的参考价值。

研究得到了国家自然科学基金资助项目(批准号: 11102232)资助。(神秘的地球uux.cn)