论文总字数：20880字

摘 要

为了实现水中航行和开展水下作业，人们设计了各色各样的水下航行器。一般来说，流线型的物体在水中的行进效率更高。但是，由于功能、载荷、工艺等需求的限制，有时需要将航行器设计成钝体形态。如何在钝体外形条件下提高水下物体的行进和工作效率，是相关研究人员一个重要的研究方向。经过自然界千万年的进化，蝌蚪作为椭球形的水生生物的代表，为学者们提供了良好的研究素材。通过对蝌蚪运动的研究可以更好地丰富非流线型航行器的设计理论，为人类的水下探索提供科技保障。

本文主要致力于对蝌蚪游泳模式的分析。首先利用高速摄像机拍摄蝌蚪的运动过程，通过Image-Pro Plus图像处理软件测量分析蝌蚪的游动速度、摆尾频率、摆幅、摆角等运动参数和身体体干线的变形形态信息。然后利用1stOpt软件拟合蝌蚪运动方程，算出蝌蚪运动描述方程中的频率、波长等参数，并考察各运动参数对游泳速度的响应规律。在此基础上，通过COMSOL Multiphysics软件对不同身体形态的蝌蚪绕流流场进行数值模拟，考察蝌蚪周围的流速、涡量和受到的升阻力系数随来流速度和蝌蚪形态的变化规律，通过流场分析对蝌蚪运动机理进行进一步分析。研究结果表明，蝌蚪游动时身体前部有明显的周期性摆动，尾部做频率相同的波动变形运动，运动频率随着无量纲游泳速度的增加而基本呈线性增加。本文还拟合得到了各种游泳速度下的蝌蚪运动描述方程，可为蝌蚪游泳运动的数值分析提供依据，为相关科研人员进一步探索蝌蚪游动机理提供支撑。

关键词：蝌蚪、游泳行为、运动方程、COMSOL Multiphysics

Abstract

In order to realize underwater navigation and operation, different kinds of underwater vehicles have been designed. In general, streamlined objects travel more efficiently in water. However, due to the limitation such as function, load, craftsmanship and other requirements, it is sometimes necessary to design the vehicle into a blunt body shape. How to improve the motion and working efficiency of underwater objects under the condition of blunt body shape is an important research direction for relevant researchers. After thousands of years of evolution in nature, tadpoles, as the representatives of ellipsoidal aquatic organisms, provide a good research material for scholars. The study of tadpole movement can enrich the design theory of non-streamlined vehicle and provide scientific and technological support for underwater exploration.

This paper focuses on the analysis of swimming patterns of tadpoles. First, a high-speed camera was used to record the tadpole's movement process. Then the Image-pro Plus Image processing software was used to measure and analyze the swimming speed, tail-beat frequency, fluctuate amplitude, swing angle and other motion parameters as well as the deformation shapes of the midlines of the body. The 1stOpt software was used to fit the motion equation and the parameters such as frequency and wavelength in the motion description equation were calculated, and the response law of each motion parameter to the swimming speed was investigated. On this basis, the flow fields of tadpoles with different body shapes were numerically simulated by COMSOL Multiphysics software, and the relationships among flow velocity, vorticity, lift and resistance coefficients and flow velocity and the morphology were investigated. The movement mechanism of tadpoles was further analyzed through flow field analysis. The results showed that the front part of the body oscillated periodically while the tail deformed with a same frequency, and the frequency increased linearly with the increase of the dimensionless swimming speed. The description equation of tadpole movement obtained in this paper can provide a basis for the numerical analysis of tadpole swimming movement and help the latecomers to further explore the swimming mechanism of tadpole.

Key Words：Tadpoles, swimming behavior, motion equation, COMSOL Multiphysics

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景、目的和意义 1

1.2国内外研究现状 1

1.3本文做的工作 2

第2章 研究方法 3

2.1 实验方法 3

2.2 实验数据分析方法 3

2.2.1蝌蚪形态和运动参数统计 3

2.2.2蝌蚪体干曲线提取 5

2.2.3 蝌蚪运动描述公式拟合 6

2.3数值模拟方法 7

2.3.1 COMSOL Multiphysics软件简介 7

2.3.2数值模拟步骤 8

第3章 实验研究结果 11

3.1蝌蚪形态特征 11

3.2 蝌蚪运动特征 11

3.3 蝌蚪运动描述方程 14

3.3.1体干线 14

3.3.2 运动方程 20

3.3.3 拟合结果 21

第4章 流场分析结果 23

4.1 计算参数设置 23

4.1.1计算模型 23

4.1.2边界条件 23

4.1.3时间步长和网格 24

4.2计算结果分析 24

第5章 结论和展望 29

参考文献 30

致谢 32

第1章 绪论

1.1 课题背景、目的和意义

经历漫长的自然选择，水生生物发展了各式各样的优秀运动能力。针对水生动物运动的研究，可为仿生机器人外形和运动的设计、水下仿生结构物的设计等提供样本和思路，促进海洋探索和开发。

自然界中存在很多结构复杂的旋涡等紊流环境，旋涡对鱼类游泳行为的影响有利有弊。一方面，水生动物能通过调整身体运动形态与环境中的旋涡耦合作用，达到降低运动能耗、提高游泳效率的目的。如前人研究表明处于石块等钝体绕流形成的卡门涡街尾迹中的鱼类，会采用特殊的“卡门步态”游动模式来行进。此时鱼的摆动频率与旋涡的脱落频率同步，其身体可以避开涡心，类似于尾部骑在脱落的涡上运动，在这一模式下，鱼类能够使自身静止于圆柱后部，且大大减少了自身能耗^[1-3]。另一方面旋涡中的紊流也可能对鱼类产生不利影响而被排斥^[4-7]。水流的剧烈紊动和强大剪切应力可能会对鱼类造成直接伤害，不单迫使鱼类加大运动量，还可能使其迷失方向、丧失平衡，最终失去自主游泳能力^[8-10]。历代学者对鱼类游泳模式和推进机理从各方面进行了较为详细的研究。一般认为鱼类流线型的身形是保证其高效游泳能力的一个重要因素。而钝体绕流形成的各种旋涡对鱼类游泳行为的作用机理仍然是当前的一个研究热点。

相较于鱼类，蝌蚪的游泳行为受到的关注较少。作为青蛙和蟾蜍的幼虫，蝌蚪的外形与鱼类有明显不同。其较大的近似椭圆的钝体头部以及从球状身体到侧面扁平尾巴的突然转变使它们看起来不那么“流线型”。这就让很多人有了对蝌蚪的误解，认为蝌蚪并不擅长游泳。事实上，国外学者测量了蝌蚪的推进效率，发现其游泳效率甚至可以和鱼一样高^[11]。研究蝌蚪的运动方式，揭示其运动的流场特性，探明蝌蚪钝体头部的绕流与尾巴的摆动之间的关联，及其与鱼类在钝体绕流尾迹中的运动模式之间的区别和联系，有助于我们研究非流线型物体在流体中的运动，为开发高效的非流线型结构的水下机器人和水下结构物提供依据。

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