鰭の柔らかさと動きのしなやかさがもたらす移動能力と機動性向上の解明

阐明鳍片的柔软性带来的运动和灵活性的改善

基本信息

批准号：
22K03977
负责人：
高木力
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K03977/
关键词：
バイオメカニクス魚類遊泳鰭ヒレ柔軟

项目摘要

魚類の遊泳運動時における推力などの流体力学的解析は，CFDやPTV解析といった流体解析技術の登場により，より現実的で細緻な解析が可能となってきている。しかしながらCFD解析では実際の魚類の柔軟な動きを解析に取り込むことは困難であり，PTV解析でも渦などの立体構造を計測することは難しい。本研究では魚類の尾鰭に焦点を当て，この柔軟な性状が推力創出の機能性向上をどのように実現しているのか，尾鰭を対象とした高速度撮影と周辺流れ場のPTV解析を通して明らかにする。さらに，尾鰭運動そのものにも着目し，単純な調和振動だけでなく，尾鰭運動の柔軟な変化が個体移動の機動性能向上にどのように役立っているのか分析する。本年度得られた成果は以下の通りである。一般的な魚類は尾鰭振動により魚体後方域に渦輪を形成し，そこから生成されるジェットの反作用で推力を得ている。そのため，後流域の渦度の状態を詳しく分析することは個体の推力発生メカニズムを知る上で重要だが，従来の一般的なPTV解析（粒子移動追跡法）では単層のシート光上の流れ場だけしか捉えることができないため，渦輪の立体構造までを調べるためには十分でなかった。そこで，本研究では，波長の異なる2層のレーザーシート光を照射することによって，渦輪形成の空間的状態を調べることにより，渦度の空間構造が評価できるか試みた。実験供試魚はマアジで，複層のシート光で計測された流れ場から導出された循環は，尾鰭振動の周期と振幅に同調して変化することが確認された。また，計測面に対する尾鰭の位置の変化が循環の値にどのように影響するか分析したところ，尾叉から離れるに従って循環の値が小さくなる様子が確認され，複層シート光による計測が有効であることが確認された。

随着CFD和PTV分析等流体分析技术的出现，对鱼类游动过程中的推力进行更真实、更详细的水动力分析已经成为可能。然而，在CFD分析中，很难将实际鱼类的灵活运动纳入分析中，即使在PTV分析中，也很难测量涡流等三维结构。在本研究中，我们重点关注鱼类的尾鳍，通过尾鳍的高速摄影和周围流场的 PTV 分析，阐明了这种柔性特性如何提高推力产生的功能。此外，我们将重点关注尾鳍运动本身，分析尾鳍运动不仅简单简谐振动，而且灵活变化如何有助于提高个体运动的可操作性。今年获得的结果如下。典型的鱼类通过尾鳍的振动在鱼体后部形成涡环，并通过涡环产生的射流的反作用力获得推力。因此，详细分析尾随区的涡度状态对于理解个体的推力产生机制具有重要意义，但传统的通用PTV分析（粒子运动跟踪方法）不适用于单层片状光上的流场。这不足以研究涡环的三维结构。因此，在本研究中，我们试图通过照射两层不同波长的激光片光来研究涡环形成的空间状态，从而评估涡量的空间结构。实验鱼是竹荚鱼，确认了由多层片状光测量的流场产生的环流与尾鳍振动的周期和振幅同步变化。此外，当我们分析尾鳍相对于测量表面的位置变化如何影响循环值时，我们发现循环值随着距尾叉距离的增加而减小，这表明使用多层片光进行测量是有效的经证实是有的。