The role of swimming mechanism in fish schooling

游泳机制在鱼群中的作用

• 批准号: 22KJ0011
• 负责人: 江口 剛
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ0011/
• 关键词: PIV; 魚群; 遊泳行動; バイオメカニクス; エナジーセーブ; 圧力分布; CFD; 無振動遊泳

本研究では流れの変化を利用して尾ヒレを動かさずに推進する「無振動遊泳」や、ヒレの柔軟性が持つ機能などを、複数の魚種やサイズでの実験を通じて調べ、最終的に魚群遊泳で起こる流体力学的なメカニズムの解明を目的としている。2022年度は「無振動遊泳」の仕組みについて、模型近傍に生じた局所的な低圧領域によって魚が引き寄せられ、流れから受ける抵抗に対して釣り合うような推進力を得るメカニズムをPIV解析によって明らかにした。さらに無振動遊泳が生じた流況と同様の実験条件を再現するため、実際に用いた実験魚と同じ体サイズの魚型模型を3Dプリンタで製作し、生体と構造物の位置関係を参考に回流水槽に設置した。分力計で魚型模型にかかる揚力・抗力を計測した結果、PIVによる圧力分布で得た値と同様、魚が尾ヒレを振らないまま流されずに定位しうる結果を模型実験でも得た。また、数値流体力学(CFD)解析でも圧力分布を確認し、同様の結論となった。得られた実験成果は現在、論文投稿に向けてまとめている。さらに、単純な平板前方に生じる淀み域に対して魚が尾ヒレを振らずに定位する「無振動遊泳」も確認できた。PIV解析、分力計と模型を用いた揚力・抗力の計測、CFDの3手法で解析した結果、魚は流れ場の変化に対して尾ヒレを曲げ、まるで翼のキャンバーのように反りを持つことで魚体にかかる力を釣り合わせていたことが分かった。尾ヒレの柔軟性による形態を明らかにし、その機能解明につなげた。

这项研究旨在调查“无振动游泳”，在这种“无振动游泳”中，尾鳍在不使用流动变化的情况下移动，以及通过具有多种鱼类物种和尺寸的实验的鳍的柔韧性，并阐明在鱼学校游泳中最终发生的流体动力机制。在2022年，PIV分析揭示了“无振动游泳”的机制，该机制吸引了模型附近发生的局部低压区域的鱼类，并提供了与从流量中获得的电阻保持平衡的推力。此外，为了重现与当前无振动游泳的情况相同的实验条件，使用3D打印机制造了与实际实验性鱼类相同的鱼类模型，并考虑到活物与结构之间的位置关系，并安装在循环水族馆中。由于使用专门计量表施加在鱼形模型上的升力和阻力力之后，我们还在模型实验中获得了结果，在该实验中，可以将鱼定位而不挥动其尾鳍而不会摆动而进行。此外，在计算流体力学（CFD）分析中确认了压力分布，并得出相同的结论。目前正在汇编获得的实验结果以提交论文。此外，我们还确认使用了“无振动游泳”，其中将鱼定位在简单平板前面的停滞区域中，而不会摇动其尾鳍。在使用PIV分析，使用聚合表和模型以及CFD进行分析，提起和阻力测量后，发现鱼弯曲其尾鳍，以响应流场的变化，并像翅膀上的室内一样弯曲，从而平衡了施加到鱼体的力。由于其灵活性揭示了尾鳍的形态，从而阐明了其功能。

项目成果

複層PIVによる魚の遊泳時の流れ場解析

使用多层 PIV 分析鱼类游动过程中的流场

• 发表时间: 2023
• 作者: 江口剛(北大院水);鳥澤眞介(近大農);竹原幸生(近大理工);髙木力(北大院水)
• 通讯作者: 髙木力(北大院水)

Fish staying against flow without tail beating at stagnant area in front of object

鱼在物体前面的静止区域逆流而行，不拍尾

• 发表时间: 2022
• 作者: Go Eguchi;Shinsuke Torisawa;Kohsei Takehara and Tsutomu Takagi
• 通讯作者: Kohsei Takehara and Tsutomu Takagi