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。

在这项研究中，我们对多种鱼类和尺寸进行了实验，以研究“无振动游泳”，即利用电流的变化来推动尾鳍而不移动，目的是阐明鳍的灵活性的功能。游泳过程中发生的水动力机制。 2022财年，我们利用PIV分析阐明了“无振动游泳”的机制，即鱼被模型附近产生的局部低压区域吸引，并获得平衡来自水流的阻力的推进力。此外，为了再现与产生无振动游泳的流动条件相同的实验条件，我们使用3D打印机创建了与实际使用的实验鱼体型相同的鱼模型，并根据之间的位置关系它被安装在一个循环罐中。通过分力计测量施加在鱼模型上的升力和阻力，我们在模型实验中也得到了结果，鱼可以在不晃动尾鳍的情况下定向而不被冲走，与数值类似​​使用 PIV 从压力分布中获得。通过计算流体动力学（CFD）分析也证实了压力分布，并得出了类似的结论。获得的实验结果目前正在整理以发表在论文中。此外，我们还能够确认“无振动游泳”，即鱼将自己定向到简单平板前面的停滞区域，而不摇动尾鳍。通过使用 PIV 分析、使用测力计和模型测量升力和阻力以及 CFD 三种方法进行分析，结果发现鱼类会随着流场的变化而弯曲尾鳍，从而产生类似于鱼的翘曲。事实证明，施加在鱼身上的力是平衡的。尾鳍的柔性形态被阐明，从而阐明了其功能。

项目成果

翼近傍の低圧領域を利用した魚類の無振動遊泳について

利用翅膀附近的低压区域实现鱼的无振动游动

• 发表时间: 2022
• 作者: 江口剛;鳥澤眞介;竹原幸生;高木力
• 通讯作者: 高木力

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; Tsutomu Takagi
• 通讯作者: Tsutomu Takagi

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;鳥澤眞介;竹原幸生;高木力
• 通讯作者: 高木力