基于粒子图像测速技术的草鱼幼鱼摆尾力学特征研究

论文摘要

在高速发展的21世纪,生物力学的研究往往会给人类技术的发展带来许多新的启示。研究表明,鱼类在游动时的推进效率普遍高于目前的水下航行器,提升航行器的推进效率会给国家带来巨大的竞争优势。在自然界中,大多数鱼类是通过尾鳍摆动对周围流体产生推力,从而获得流体的反作用力前进,此过程中蕴含着极其丰富且尚待解答的力学知识。本文首先用实验室自制的粒子图像测速（Particle Image Velocimetry,PIV）系统完成了圆柱绕流实验,重构压力场并且分析重构精度,从而确定一种适用于本文PIV系统的瞬态压力场获取的方法。接着,以草鱼幼鱼为研究对象,利用PIV分析其摆尾过程,构建静水与自由来流下其摆尾与环境水体压力场的响应关系。最后,推求环境水体施加于鱼体的力学变化特征。具体如下:（1）采用PIV系统测量圆柱绕流后方的速度场,运用有限容积法和直接积分法重构压力场。对比Fluent模拟结果,分析了PIV的速度场和压力场重构误差。结果表明:在PIV系统中,相机在120 fps下采用640×480 pixels2获取速度场误差为6.62%。基于Fluent模拟速度场数据,第一边界条件下有限容积法的压力场重构误差小于直接积分法,均方根误差分别为1.73%,8.99%;基于PIV实测速度场,有限容积法的压力场重构误差大于直接积分法,均方根误差分别为26.58%,12.72%;降低速度场误差与准确的边界条件均能有效提高压力场重构精度。（2）以草鱼幼鱼为实验对象（下同）,分析了其在静水环境下摆尾过程的运动学特征和环境压力场的分布特征。结果表明:其运动可分为“S”形（T=0 ms25±8.33ms;鱼体头部顺时针摆动,尾鳍逆时针摆动）、“C”形（T=25±8.33 ms100±8.33 ms;尾鳍持续逆时针摆动,直至到达“C”形顶点）、“C”形回摆（T=100±8.33 ms200 ms;尾鳍由“C”形逐渐顺时针回摆,直至恢复平直状态）。此过程中,草鱼幼鱼借助射流产生的反作用力推动鱼体前进。尾部轮廓压力分布与鱼尾的摆动形态有关,负压主要沿尾部的凹陷处分布,正压主要沿着尾部的凸起处分布。（3）分析了静水下草鱼幼鱼摆尾周期内环境水体压力的时变规律。结果表明:“S”形阶段,负压区合力F随时间T先增大后减小;“C”形阶段,正压区和负压区的合力F均逐渐增大;“C”形回摆阶段,正压区和负压区的合力F逐渐减小。（4）计算了静水下周围环境施加于鱼体的压力,统计值均以平均值±标准差（Mean±SE）表示（下同）。结果表明:第一阶段,尾鳍对上下两侧流体并未有持续的作用力,在x和y方向上（下同）,压力为（-3.44±1.40、6.64±1.71）m N/cm。第二阶段,尾鳍向上运动导致尾鳍上方和下方的流体的相同趋势,压力为（1.79±0.38、-4.99±0.47）m N/cm。第三阶段,压力为（-0.68±0.75、-0.06±0.15）m N/cm。（5）计算了自由来流下环境水体施加于鱼体的压力。结果表明:第一阶段,压力为（-0.80±0.26、3.12±0.43）m N/cm。第二阶段,尾鳍向上运动引起上、下两侧流体运动趋势相同,压力分别为（-1.37±0.01、-4.99±0.47）m N/cm。第三阶段,由于尾鳍呈C形摆动,流体改变其运动趋势,产生阻力抵抗尾鳍的运动趋势,压力分别为（0.72±0.32、-0.06±0.10）m N/cm。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 余英俊

导师: 胡晓

关键词: 草鱼幼鱼,速度场,摆尾行为,压力场,力学特性

来源: 三峡大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 生物学,船舶工业

单位: 三峡大学

分类号: U661;Q811

DOI: 10.27270/d.cnki.gsxau.2019.000027

总页数: 73

文件大小: 10917K

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