三鱼斜向串联排列中的水动力学与尾流动力学

《Fishes》：Hydrodynamics and Wake Dynamics of Three Fish in an Oblique Tandem Arrangement

　　

鱼群游动是自然界中常见的现象，并为水下仿生推进器的设计提供了宝贵的灵感。为了研究斜向串联排列中个体之间的流体相互作用机制，研究人员对三个基于翼型的仿生鱼模型进行了二维数值模拟。使用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD），针对选定的五个代表性案例，研究了流向间距（L_x=0.8–1.2）和方向角（θ=10–30^°）对每条鱼的水动力学性能和尾流特性的影响。结果表明，在当前参数范围内，斜向串联排列的三鱼群的总体时均推力系数高于单条鱼，增幅为16%至22%。随着流向间距的增加，个体之间的相互干扰减弱，总体推力增益逐渐减小。随着方向角的增加，前导鱼和中间鱼的推力增益减小，而尾随鱼的推力增益从负值转变为正值。在小方向角下，前导鱼和中间鱼表现出显著的推力增加。这项初步研究表明，在所研究的参数空间内，适当调整流向间距和方向角可以有效提高斜向串联排列鱼群的总体推力，并使尾随鱼获得推力增益。

鱼群游动是自然界中常见的群集行为，其背后的流体动力学机制为水下仿生推进器的设计提供了重要灵感。在鱼类集群中，个体间的空间排列方式（如斜向串联）显著影响整体水动力学性能，但当前研究对斜向串联排列中个体间相互作用及尾流干扰的定量理解仍不充分。为此，研究人员针对三鱼斜向串联排列展开研究，旨在揭示流向间距和方向角对推力性能及尾流特性的影响规律，为优化鱼群构型提供理论依据。该研究论文发表在《Fishes》。

研究人员采用二维数值模拟方法，基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）框架，构建了三个以NACA翼型为基础的仿生鱼模型。通过设定五个代表性案例，系统分析了流向间距（L_x=0.8–1.2）和方向角（θ=10–30^°）对每条鱼的水动力学参数（如推力系数）及尾流结构（如涡旋脱落模式）的影响。模拟中忽略了具体生物形态细节，仅关注翼型在周期性摆动下的流体响应，以简化模型并突出核心机制。

研究结果揭示了以下关键发现：

**1. 总体推力增益**
与单条鱼相比，斜向串联排列的三鱼群整体时均推力系数提升16%至22%，表明该排列方式具有显著的协同推进优势。这是通过个体间尾流相互作用实现的，前导鱼产生的尾流涡旋被中间鱼和尾随鱼利用，从而减少阻力或增加推力。

**2. 流向间距的影响**
随着流向间距（L_x）增大，个体间的相互干扰减弱，整体推力增益逐渐下降。当L_x从0.8增至1.2时，推力增益从约22%降至16%，说明较近的间距有利于尾流能量传递，但过近则可能引发不利干扰。

**3. 方向角的影响**
方向角（θ）对推力增益具有显著的非对称效应。θ从10^°增大至30^°时，前导鱼和中间鱼的推力增益减小，而尾随鱼的推力增益从负值（即阻力增加）转变为正值（即推力增益）。在小θ（如10^°）下，前导鱼和中间鱼获得最大推力增益，尾随鱼则承受净阻力；随θ增大，尾随鱼逐渐受益，其推力增益在θ=30^°时转为正。

**4. 个体差异**
在所选参数范围内，前导鱼和中间鱼始终表现出正推力增益，但增益值随θ增加而下降；尾随鱼则从负增益过渡到正增益，表明其性能对排列构型更为敏感。这一现象与尾流中涡旋的相位和强度分布有关。

讨论部分指出，该研究初步揭示了斜向串联排列中个体间的流体耦合机制：前导鱼产生的尾流涡旋被下游鱼捕获，形成类似“涡旋助推”效应，但效果受间距和角度调节。研究结论如下：在斜向串联排列中，适当减小流向间距并选择较小方向角，可显著提升前导鱼和中间鱼的推力，同时通过调整方向角使尾随鱼获得推力增益，最终实现整体推力最优。这为仿生鱼群推进系统的设计提供了参数优化参考，并强调了鱼群排列构型对集群性能的重要性。