楊國(guó)黨，胡曉，張奔，龍澤宇，張永年，石小濤

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北省魚類過壩技術(shù)國(guó)際科技合作基地，湖北 宜昌 443002)

相關(guān)研究成果和結(jié)論可對(duì)魚類物理模型及仿生機(jī)器魚研究提供科學(xué)參考。

許多水生動(dòng)物，特別是魚類，通常會(huì)通過改變游泳狀態(tài)來適應(yīng)環(huán)境變化，這種現(xiàn)象引起了科學(xué)界廣泛的關(guān)注。魚類能夠準(zhǔn)確感應(yīng)身體周圍的流動(dòng)，通過將身體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量傳遞給周圍的流體，從而有效地控制推力的產(chǎn)生[1]。對(duì)于魚類來說，它們傳遞給周圍流體的動(dòng)量和能量會(huì)以漩渦的形式包裹起來，研究者通過量化流體中的循環(huán)量，從而估計(jì)魚體產(chǎn)生的推力和推進(jìn)效率[2-4]。

魚類在水體中運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)流場(chǎng)變化是分析魚類游泳動(dòng)力形成的關(guān)鍵因素，而粒子圖像技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)能在不影響魚類運(yùn)動(dòng)的情況下顯示瞬態(tài)流場(chǎng)整體結(jié)構(gòu)并保證測(cè)量的分辨率和精度[5]。近年來，隨著科技的不斷發(fā)展，PIV應(yīng)用也愈發(fā)普遍，Stamhuis等[6]在測(cè)量鯔魚幼魚周圍流場(chǎng)時(shí)首次引入該技術(shù)，PIV技術(shù)開始成為魚類運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究中的重要工具，并逐漸為研究者所接受。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過對(duì)活魚進(jìn)行生物試驗(yàn)，以及對(duì)仿生魚模型進(jìn)行物理試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段研究魚類游泳的運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)理。Tytell等[7]分析了美洲鰻鱺在穩(wěn)定游動(dòng)下的尾流結(jié)構(gòu)并測(cè)量了其推進(jìn)效率；Mwaffo等[8]研究了斑馬魚Daniorerio在機(jī)動(dòng)和巡游兩種運(yùn)動(dòng)模式下的渦結(jié)構(gòu)和水動(dòng)力壓力分布；Akanyeti等[9]通過仿生學(xué)模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了加速期間魚尾部通過改變渦環(huán)幾何結(jié)構(gòu)來提高推進(jìn)效率；Borazjani等[10]通過數(shù)值模擬研究了雷諾數(shù)和尾拍頻率系統(tǒng)變化下鰻魚運(yùn)動(dòng)的水動(dòng)力學(xué)；Kazakidi等[11]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)尾鰭的形狀會(huì)影響魚體的推進(jìn)效率。研究魚類在不同游泳狀態(tài)下的推進(jìn)機(jī)制與動(dòng)力學(xué)不僅能為高效率的仿魚類推進(jìn)裝置設(shè)計(jì)提供參數(shù)依據(jù)，還對(duì)理解水生動(dòng)物的進(jìn)化過程及其生物學(xué)作用具有一定的科學(xué)價(jià)值。前期相關(guān)研究大多集中于魚類常見的游泳狀態(tài)(如直線等)，而對(duì)魚類轉(zhuǎn)彎和后退游泳狀態(tài)的研究較少。本研究中，采用PIV試驗(yàn)結(jié)合渦量分析原理對(duì)草魚Ctenopharyngodonidellus幼魚在直線、轉(zhuǎn)彎及后退3種游泳狀態(tài)下的受力和推進(jìn)效率進(jìn)行了研究，分析了草魚幼魚在不同游泳狀態(tài)轉(zhuǎn)變過程中魚體周身的渦量分布特征，通過對(duì)正向力和反向力的定量分析，得到了上述3種游泳狀態(tài)下幼魚高效的行為方式，

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用魚為常見的淡水魚草魚幼魚，購自湖北省宜昌市某養(yǎng)殖場(chǎng)，共15尾，平均體長(zhǎng)為4～10 cm，暫養(yǎng)在圓形養(yǎng)魚池中，水溫保持在(20±1)℃，每周投喂兩次，試驗(yàn)前24 h禁止攝食[12]。

試驗(yàn)裝置如圖1所示，包括一套PIV系統(tǒng)(光源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、圖像拍攝系統(tǒng)、圖像分析系統(tǒng))和透明的有機(jī)玻璃水槽(長(zhǎng)×寬×高為0.46 m×0.20 m×0.25 m)。

圖1 試驗(yàn)裝置圖

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于三峽大學(xué)生態(tài)水利學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)水槽內(nèi)水深為0.1 m，示蹤粒子選用隨水性良好的空心玻璃微珠(粒徑為20～30 μm)，在水槽前后兩側(cè)分別安裝激光器(型號(hào)為NQ-506，波長(zhǎng)為532 nm，功率為100 mW)1和2，在四周分別架設(shè)一部高速攝像機(jī)(Redlake Motionscope，分辨率為640 pixel×480 pixel，幀率為120 fps)，視場(chǎng)范圍為12 cm×9 cm。整個(gè)試驗(yàn)在無光和無外界干擾的條件下進(jìn)行，為了防止粒子圖像可見度減弱和兩側(cè)氬離子激光器發(fā)生散射，將一塊貼黑紙的薄玻璃隔板放在試驗(yàn)區(qū)域的正下方。試驗(yàn)選用澄清的自來水(試驗(yàn)前靜置48 h)，通過攝像機(jī)捕捉草魚幼魚在靜水環(huán)境下的自主前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎及后退行為，每條魚單獨(dú)進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為30 min。根據(jù)實(shí)驗(yàn)生物學(xué)要求，同一試驗(yàn)魚不再重復(fù)試驗(yàn)，避免對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響[13]。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理 試驗(yàn)獲得的草魚運(yùn)動(dòng)圖片采用開源程序PIVlab獲取原始的流速場(chǎng)(有完整魚體)，提取魚體周身的渦量和速度，導(dǎo)入Surfer軟件中將整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行細(xì)分，獲得渦環(huán)在二維水平面上的投影面積及渦量，推導(dǎo)計(jì)算各部分的作用力(利用Matlab對(duì)一個(gè)擺尾周期內(nèi)的魚體周身進(jìn)行作用力計(jì)算)。由于魚體在5次擺尾后尾拍幅度和游動(dòng)速度不斷下降，直到第7次擺尾后，草魚幼魚保持身體筆直，開始滑行，所以本研究中選取1到5次擺尾間的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化圖像處理[14]。為便于分析魚的運(yùn)動(dòng)，定義草魚幼魚向前波動(dòng)的過程中，魚從幾乎順直狀態(tài)開始擺尾一個(gè)來回，這個(gè)過程的歷時(shí)定義為一個(gè)周期T,選取的直線、轉(zhuǎn)彎和后退游泳期間完成一個(gè)擺尾的運(yùn)動(dòng)周期T分別為300、575、400 ms。整個(gè)過程由于粒子數(shù)據(jù)較多，前期主要通過人工手段提取魚體周身的粒子，用于具體分析每一部分受力變化，本試驗(yàn)中結(jié)合Triantafyllou等[15]的研究理論，通過周身渦流的變化強(qiáng)度將魚體劃分為3部分，如圖2 所示，將吻端至胸鰭間的區(qū)域定義為頭部，將胸鰭至臀鰭間的區(qū)域定義為中部，將臀鰭至尾鰭后部的區(qū)域定義為尾部，然后分析每一幀下不同部位數(shù)據(jù)的變化，由于數(shù)據(jù)過多，每張粒子圖像下的數(shù)據(jù)變化較小，故將其在時(shí)間上進(jìn)行劃分。

圖2 魚體部位劃分示意圖

1.2.3 相關(guān)力學(xué)計(jì)算原理 魚體的每次波動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生渦環(huán)，通過渦環(huán)可以獲取施加于魚體上的作用力。首先，獲取不同粒子的速度大小及分布，計(jì)算魚體周身渦量分布和沿渦環(huán)的速度環(huán)量，其計(jì)算公式[16]為

其中：Ω為渦量(1/s)；u、v分別為粒子的水平速度和豎直速度(m/s)；Γ為速度環(huán)量(m2/s)；v′為粒子的速度(m/s)；l為渦環(huán)的周長(zhǎng)(m)。

根據(jù)單位時(shí)間速度環(huán)量面積的變化，作用在幼魚魚體上的瞬時(shí)作用力計(jì)算公式[17]為

(3)

(4)

圖3 魚體受力示意圖

由于魚體的每次波動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生作用力，每次產(chǎn)生的作用力又會(huì)隨射流角度的變化而發(fā)生改變，根據(jù)其力的作用效果不同，可將其分為沿魚體切向方向的推力(FT)及法向方向的側(cè)向力(FL)，并通過渦環(huán)在不同平面上的投影面積計(jì)算相應(yīng)的作用力，公式[19]可以改寫為

其中：Axy為渦環(huán)在xy平面上的投影面積(m2)；Ayz為渦環(huán)在yz平面上的投影面積(m2)；Γ為速度環(huán)量(m2/s)；當(dāng)魚體波動(dòng)前行時(shí)，尾部通常伴隨有大振幅，頭部會(huì)存在一定的小振幅，頭部在游泳時(shí)大致是剛性的[20]，因此，幼魚每一時(shí)刻頭部中線與起始平直狀態(tài)中線間都會(huì)形成一定的夾角θ，定義為頭部偏角[8,21](圖3(b))。

通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)得到魚類游泳的推進(jìn)效率(η)，其計(jì)算公式[22]為

η=FTuaxial/(FTuaxial+Plateral)，

(7)

Paxial=FLulateral。

(8)

其中：FT為推力(N)；FL為側(cè)向力(N)；uaxial為幼魚的水平游泳速度(魚體質(zhì)心的水平位移與相應(yīng)時(shí)間的比值,m/s)；ulateral為幼魚的側(cè)向游泳速度(魚體質(zhì)心的豎直位移與相應(yīng)時(shí)間的比值,m/s)；Plateral為幼魚側(cè)向運(yùn)動(dòng)損耗的功率(W)；Paxial為幼魚水平向運(yùn)動(dòng)損耗的功率(W)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同游泳狀態(tài)下草魚幼魚周身的受力變化

2.1.1 直線游泳狀態(tài)下的受力變化 結(jié)合圖4的云圖和圖5的曲線可以看出，草魚幼魚完成一個(gè)擺尾周期(T)的直線游動(dòng)過程，魚體周身的正、負(fù)渦作用力之比可達(dá)1.6∶1(圖5(a))，其中幼魚尾部主要聚集正渦，頭部聚集負(fù)渦(圖4)，上述兩個(gè)部位一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)所形成的正、反向力平均比例分別為43%和34%，如圖5(d)、(b)所示。

圖4 直線游泳時(shí)魚體渦量云圖

在運(yùn)動(dòng)的前1/8周期，幼魚尾部是正渦的主要聚集區(qū)域，該階段尾部由正渦所產(chǎn)生的作用力占魚體總正向力的比例接近60% (圖5(d))，之后正渦逐漸向魚體胸鰭部位聚集，魚體中部正向力的比例開始上升并在1/2周期達(dá)到最高點(diǎn)，如圖5(c)所示，尾部由正渦產(chǎn)生的作用力開始下降，此后正渦逐漸由中間部位向尾部擴(kuò)散。在整個(gè)直線游泳過程中，魚體有63%(33.74 mN)的正向力被抵消不做功，只有37%(19.88 mN)的正向力對(duì)魚體做功，其中大部分集中在魚體尾部(圖5(a))。

圖5 直線游泳時(shí)魚體各部分受力

2.1.2 轉(zhuǎn)彎游泳狀態(tài)下的受力變化 草魚幼魚在轉(zhuǎn)彎時(shí)，魚體的彎曲方向與魚頭轉(zhuǎn)彎的方向剛好相反，幼魚的擺尾幅度增大，擺尾頻率降低，試驗(yàn)結(jié)果顯示，在頭部偏角相同的情況下，轉(zhuǎn)彎時(shí)草魚幼魚前進(jìn)的距離要遠(yuǎn)小于直線游泳狀態(tài)。

從圖6和圖7(a)可知，幼魚完成一個(gè)周期的轉(zhuǎn)彎游動(dòng)過程，魚體周身的正、負(fù)渦作用力之比為2.2∶1，整個(gè)轉(zhuǎn)彎過程中，有45%(29.4 mN)的正向力被反向力所抵消不做功，實(shí)際作用于魚體的力只有55%(36.3 mN)，其中，尾部為正渦的主要聚集區(qū)域，一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)由尾部正渦所形成的正向力占總正向力的比例平均為55%。

圖6的渦量云圖顯示，在運(yùn)動(dòng)的前1/16周期，幼魚頭部聚集的正、負(fù)渦呈上升趨勢(shì)，此時(shí)頭部渦體產(chǎn)生的正向力所占比例高達(dá)60%(圖7(b))，之后正渦逐漸向魚體中部和尾部擴(kuò)散；在1/2周期時(shí)刻，幼魚魚體的彎曲程度最大，魚體尾部的正向力、反向力所占比例分別達(dá)到最高值64%、80%(圖7(d))，而魚體中部則聚集了較多負(fù)渦(圖7(c))，該部位由負(fù)渦所形成的反向力比例平均可達(dá)32%。

圖6 轉(zhuǎn)彎游泳時(shí)魚體渦量云圖

圖7 轉(zhuǎn)彎游泳時(shí)魚體各部分受力

2.1.3 后退游泳狀態(tài)下的受力變化 草魚的后退游泳行為，在生物力學(xué)上表現(xiàn)出不同差異(當(dāng)草魚遇到狹小空間或無法繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)后退游泳行為)。整個(gè)后退游泳過程中渦量云圖如圖8所示，渦量首先在幼魚的頭部聚集，然后沿魚體長(zhǎng)度方向逐漸向幼魚的中部、尾部擴(kuò)散，之后再次聚集和擴(kuò)散，導(dǎo)致幼魚各部位的正向力、反向力呈現(xiàn)出周期性的波動(dòng)。如圖9(a)所示，草魚幼魚完成一個(gè)周期的后退游動(dòng)過程，幼魚尾部聚集正渦和負(fù)渦的區(qū)域逐漸減??；相對(duì)直線游泳和轉(zhuǎn)彎狀態(tài)而言，魚體尾部的正向力和反向力所占比例有一定程度下降(圖9(d))；魚體中部主要聚集負(fù)渦，該部位在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)產(chǎn)生的反向力所占比例平均可達(dá)41%(圖9(c))；雖然幼魚頭部的正向力、反向力波動(dòng)較大，但其平均值仍維持在較高水平(圖9(b))。

圖8 后退游泳時(shí)魚體渦量云圖

圖9 后退游泳時(shí)魚體各部分的受力

2.2 不同游泳狀態(tài)下草魚幼魚的推力和側(cè)向力

通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，草魚幼魚在直線游泳狀態(tài)時(shí)，有高達(dá)73%的正、負(fù)渦合作用力轉(zhuǎn)化為推力，且該推力主要產(chǎn)生在幼魚尾部，剩下的渦合作用力則轉(zhuǎn)化為側(cè)向力，主要用于尾部的橫向擺動(dòng)和頭部的偏轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)彎游泳的幼魚將52%的渦合作用力轉(zhuǎn)化為推力，相較于直線游泳，幼魚頭部推力的比例在逐漸降低，僅為直線游泳的50%，此外，由于轉(zhuǎn)彎時(shí)草魚幼魚的整體偏轉(zhuǎn)角度增大，使得魚體的推力分量大幅下降(圖10(a)、(b))；相對(duì)前兩種游泳狀態(tài)，后退游泳產(chǎn)生的作用力相對(duì)較小，其中有66%的渦合作用力轉(zhuǎn)化為推力，其余的轉(zhuǎn)化為側(cè)向力，雖然推力的利用率整體增大，但由于正、負(fù)渦的合作用力相對(duì)較小，故后退時(shí)的幼魚推力較小(圖10(a)、(b))。

圖10 不同游泳狀態(tài)下魚體周身的推力及側(cè)向力

2.3 不同游泳狀態(tài)下草魚幼魚的推進(jìn)效率

本研究中結(jié)合草魚幼魚周身的受力特征，對(duì)其頭部、中間部位和尾部的推進(jìn)效率進(jìn)行了分析比較，結(jié)果如圖11(a)～(c)所示，發(fā)現(xiàn)直線游泳和轉(zhuǎn)彎時(shí)的幼魚尾部推進(jìn)效率最高，其次是中部和頭部；當(dāng)幼魚后退狀態(tài)時(shí)，魚體的高效推進(jìn)在中部，頭部推進(jìn)效率最低。

圖11 草魚幼魚不同部位的推進(jìn)效率

通過對(duì)幼魚直線、轉(zhuǎn)彎和后退3種狀態(tài)下的整體推進(jìn)效率比較發(fā)現(xiàn)：直線游泳的幼魚整體推進(jìn)效率最高，其次分別是轉(zhuǎn)彎和后退游泳狀態(tài)；當(dāng)幼魚的頭部偏角為9°～10°時(shí)，直線游泳的整體推進(jìn)效率最高，為83%；對(duì)于轉(zhuǎn)彎的草魚幼魚，其整體推進(jìn)效率在頭部偏角為14°～15°時(shí)最高，為74%；后退游泳時(shí)，草魚幼魚的頭部偏角為3°～4°時(shí)，其整體推進(jìn)效率達(dá)到最大值65%。

3 討論

3.1 不同游泳狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)差異

在不同的水環(huán)境中，魚類為了特定目的進(jìn)化出各種各樣的運(yùn)動(dòng)策略。魚類通過肌肉變形作用于流體，帶動(dòng)周圍流體的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到流體的反作用力而推動(dòng)自身前進(jìn)[23]。Müller等[24]研究發(fā)現(xiàn)，魚體周身渦結(jié)構(gòu)是沿體表下移直至尾部脫落，這與本研究中的分析結(jié)果一致。一些研究發(fā)現(xiàn)，魚體整個(gè)身體對(duì)推力產(chǎn)生都有一定貢獻(xiàn)，另有研究提到尾鰭在產(chǎn)生推力方面的重要性。當(dāng)尾鰭產(chǎn)生的渦強(qiáng)度較大，其產(chǎn)生的推力更大[25]。本研究中發(fā)現(xiàn)，草魚幼魚在近似直線運(yùn)動(dòng)過程中，正、負(fù)渦合作用力對(duì)推力的貢獻(xiàn)作用高達(dá)73%，且該推力主要產(chǎn)生在幼魚尾部。相比之下，草魚幼魚轉(zhuǎn)彎時(shí)有較高的推力和側(cè)向力，但是其轉(zhuǎn)彎時(shí)的整體偏轉(zhuǎn)角度增大，使得正、負(fù)渦合作用力轉(zhuǎn)化成推力的分量大幅度下降。另外，魚體轉(zhuǎn)彎時(shí)脫落的渦環(huán)的動(dòng)量可以促使魚加速運(yùn)動(dòng)[26]。本研究中發(fā)現(xiàn)，草魚幼魚后退時(shí)主要靠胸鰭劃動(dòng)后退，魚體周身渦量變化主要與其中部的胸鰭劃動(dòng)有關(guān)，相比直線、轉(zhuǎn)彎時(shí)魚體借助尾部的主要?jiǎng)恿碓?，魚體后退過程中正、負(fù)渦的合作用力整體相對(duì)較小，因此，后退時(shí)呈現(xiàn)較小的推力。由于魚體和流體相互作用的復(fù)雜性，未來應(yīng)開展三維渦量研究，進(jìn)一步闡明草魚幼魚產(chǎn)生的尾流渦結(jié)構(gòu)，這有助于對(duì)魚尾渦結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類和作用機(jī)理的認(rèn)識(shí)。

3.2 魚體頭部偏轉(zhuǎn)角度對(duì)推進(jìn)效率的影響

在自由游泳中，魚體有角度的偏轉(zhuǎn)與流體的相互作用對(duì)其整體推進(jìn)效率有重要的影響[27]。魚類通過周期性激活肌肉來控制頭部偏轉(zhuǎn)角度，以補(bǔ)償側(cè)滑加速[28]。這說明魚體頭部壓差降至最低時(shí)，可減少流體阻力，并提高推進(jìn)效率。另外，Nair等[27]研究發(fā)現(xiàn)，斑馬魚幼魚尾部偏轉(zhuǎn)角度與頭部偏角呈線性關(guān)系。這說明魚體頭部控制對(duì)于通過轉(zhuǎn)向、身體旋轉(zhuǎn)和側(cè)向平移來提高游泳效率至關(guān)重要[29]。本研究中發(fā)現(xiàn)，3種不同游泳模式下魚頭偏轉(zhuǎn)角度不盡相同，與轉(zhuǎn)彎頭部偏轉(zhuǎn)角度相比，直線游泳頭部偏角為9°～10°時(shí)就可以達(dá)到83%的推進(jìn)效率。這說明轉(zhuǎn)彎頭部偏轉(zhuǎn)幅度增加并不意味著渦環(huán)產(chǎn)生的動(dòng)力成本低于直線游泳產(chǎn)生的動(dòng)力成本。這主要是由于試驗(yàn)幼魚轉(zhuǎn)彎時(shí)尾部渦動(dòng)力產(chǎn)生與游泳方向相反的力，需要較大外力矩實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎，最終導(dǎo)致游泳速度大大降低，因此，運(yùn)動(dòng)效率相對(duì)較低。張冰冰[30]也發(fā)現(xiàn)，魚體轉(zhuǎn)彎比“S”型波動(dòng)前進(jìn)會(huì)產(chǎn)生較小的力矩和推力，故前進(jìn)角度大但推進(jìn)效率小。實(shí)際中，除了魚體頭部偏轉(zhuǎn)以外，魚體常表現(xiàn)出空間俯仰角度和橫搖角度變化，需進(jìn)一步研究魚體這些行為引起渦動(dòng)力的變化情況。

3.3 不同游泳狀態(tài)下的推進(jìn)效率差異

推進(jìn)效率是魚類動(dòng)力學(xué)研究的重要指標(biāo), 是衡量魚類游泳能力的主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)之一。王睿等[31]對(duì)仿生魚研究發(fā)現(xiàn)，仿生魚的推進(jìn)效率遠(yuǎn)低于自然界中的魚類，其原因在于仿生魚的尾流結(jié)構(gòu)并未根據(jù)身體其他部位的變化進(jìn)行整體性協(xié)調(diào)。自然界的鯉科魚類，魚游泳前期主要是通過尾部產(chǎn)生推力，后期利用頭部和胸鰭的偏轉(zhuǎn)來抵抗周圍水體阻力，而仿生魚只完成了魚體前期運(yùn)動(dòng)，這也是仿生機(jī)器魚的水力學(xué)特性高于實(shí)際魚體，但游泳效率卻低于實(shí)際魚的主要原因。本文結(jié)合草魚幼魚的游泳速度對(duì)其推進(jìn)效率進(jìn)行研究，可以得到不同游泳狀態(tài)下幼魚的最佳游泳方式。

本研究中發(fā)現(xiàn)，在直線和轉(zhuǎn)彎中魚體尾部相比頭部和中部具有較高的推進(jìn)效率，而兩者隨體長(zhǎng)變化不盡相同。這也證明了魚體尾部是其前進(jìn)的主要?jiǎng)恿碓础hen等[32]研究魚在流體中高效推進(jìn)機(jī)理時(shí)發(fā)現(xiàn)，推進(jìn)效率隨著游動(dòng)波速的升高而增大。

本試驗(yàn)中幼魚在后退時(shí)中部推進(jìn)效率貢獻(xiàn)高于頭部和尾部，推測(cè)可能與魚體中部波速有關(guān)。Wardle等[33]通過研究魚體體波時(shí)序和肌電圖(electromyogram，EGM)的區(qū)別時(shí)發(fā)現(xiàn)，肌肉時(shí)斷時(shí)續(xù)產(chǎn)生額外能量，部分時(shí)間做負(fù)功甚至不做功，這可能是魚類具有高推進(jìn)效率的原因。實(shí)際中，在具有來流的條件下，魚類常表現(xiàn)出頂流前進(jìn)、頂流后退、趨流轉(zhuǎn)換等行為，因此，需進(jìn)一步研究以提高對(duì)魚類推進(jìn)機(jī)理方面的認(rèn)識(shí)。

4 結(jié)論

本研究中利用PIV技術(shù)結(jié)合渦量理論定量分析了草魚幼魚在直線、轉(zhuǎn)彎及后退游泳狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)特征，主要得出以下結(jié)論：

1)草魚幼魚在直線和轉(zhuǎn)彎游泳時(shí)主要依靠尾部聚集的正渦產(chǎn)生推力，而后退時(shí)則主要依靠魚體中間部位的負(fù)渦形成反向力，來推動(dòng)自身前進(jìn)。

2)對(duì)不同游泳狀態(tài)下草魚幼魚所受推力和側(cè)向力分析發(fā)現(xiàn)，直線游泳的幼魚推力轉(zhuǎn)化率最高可達(dá)73%，轉(zhuǎn)彎時(shí)的正、負(fù)渦合作用力有48%用于頭部和胸鰭部位的偏轉(zhuǎn)，后退時(shí)的幼魚渦合作用力轉(zhuǎn)化率為66%，但是對(duì)應(yīng)的推力卻相對(duì)較小。

3)對(duì)草魚幼魚不同游泳狀態(tài)下的整體推進(jìn)效率進(jìn)行對(duì)比分析得到，直線游泳的幼魚整體推進(jìn)效率最高可達(dá)83%，其次是轉(zhuǎn)彎和后退游泳狀態(tài)，幼魚最高推進(jìn)效率分別為74%和65%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，較小的頭部偏角更有利于幼魚的高效推進(jìn)。