斑馬魚非定常游動(dòng)和群游的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、對(duì)魚類游動(dòng)機(jī)理的研究有著重要的意義和必要性，首先問題本身就蘊(yùn)含著豐富的尚未揭開的力學(xué)機(jī)理，此領(lǐng)域的研究成果可以指導(dǎo)新型高性能水下航行器的開發(fā)和研制。魚類絕大多數(shù)都采用波浪狀擺動(dòng)作為主要的推進(jìn)模式，對(duì)這類游動(dòng)現(xiàn)象的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)研究在該領(lǐng)域占有重要而基礎(chǔ)的位置。另一方面，隨著研究手段的豐富和精確，越來越多的研究工作更多地關(guān)注到魚類多種游動(dòng)形式的區(qū)別、魚體各部位乃至魚群之間相互作用，以及魚類為適應(yīng)周圍流場而采取的特定游動(dòng)模式及對(duì)周圍流體的主

2、動(dòng)控制等方面。作為活躍的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域，隨著對(duì)魚類游動(dòng)問題的深入研究，也促進(jìn)了相關(guān)學(xué)科，如生物學(xué)、材料學(xué)、控制論等的發(fā)展。
　　 本文著眼于斑馬魚這種常見的小型熱帶淡水魚種，采用試驗(yàn)和理論相結(jié)合的辦法，輔以數(shù)值模擬的手段，對(duì)其快速起動(dòng)、擺尾-滑行游動(dòng)模式、魚群的游動(dòng)和幼魚的游動(dòng)做了相應(yīng)的研究，主要工作如下:
　　 1、應(yīng)用高速攝影儀記錄斑馬魚S型快速起動(dòng)的視頻數(shù)據(jù)，并以此對(duì)斑馬魚的S型快速起動(dòng)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。

3、利用改進(jìn)的大振幅細(xì)長體模型，進(jìn)行了對(duì)斑馬魚S形快速起動(dòng)的動(dòng)力學(xué)分析。計(jì)算了斑馬魚在S形快速起動(dòng)過程中受到的力和力矩;系統(tǒng)分析了斑馬魚的動(dòng)力學(xué)特征和魚類S形快速起動(dòng)中不同階段的主要影響因素;從力學(xué)角度解釋了魚類S形起動(dòng)過程中的行為特征。
　　 2、運(yùn)用二維TRPIV技術(shù)，對(duì)斑馬魚在擺尾-滑行和拐彎兩種運(yùn)動(dòng)形態(tài)下的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，與錦鯉同類游動(dòng)產(chǎn)生的流場進(jìn)行了對(duì)比并探討了二者流場差異產(chǎn)生的原因;另外還對(duì)這兩種游動(dòng)形態(tài)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)

4、和動(dòng)力學(xué)分析。在對(duì)斑馬魚的擺尾-滑行游動(dòng)的研究中，比較了單擺尾模式和多擺尾模式兩種模式下流場的差異，計(jì)算了擺尾階段與滑行階段的阻力系數(shù)之比和平均推進(jìn)力，并且得出斑馬魚采用擺尾-滑行游動(dòng)能比采用持續(xù)擺尾的巡游游動(dòng)節(jié)約35％的能量。在對(duì)斑馬魚拐彎的研究中，發(fā)現(xiàn)斑馬魚在拐彎過程中會(huì)通過控制射流方向使得沖量矩最大化從而提高轉(zhuǎn)彎效率。
　　 3、設(shè)計(jì)和制作了利用運(yùn)動(dòng)光柵誘導(dǎo)斑馬魚游動(dòng)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)分析了誘導(dǎo)斑馬魚游動(dòng)的因素，同時(shí)對(duì)斑馬魚