鱼是如何的游动的？

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本文摘要（由AI生成）：

本文主要介绍了鱼的游动方式分类和两种游动状态的CFD模拟。鱼游动方式分为鳗鱼式、鲑鱼式、马鲹鱼式和金枪鱼式，其中鳗鱼式和鲑鱼式属于连续游动，马鲹鱼式和金枪鱼式属于间歇性游动。CFD模拟显示，连续游动状态下，鱼的前进动力主要来自尾部的摆动，而间歇性游动状态下，鱼的前进动力主要来自尾部的快速摆动。

世界上一共大约有28000种类的鱼，不同种类的鱼有不同的外形特征，从而它们的游动方式也会有区别。那么，鱼到底是怎么游动的呢？

鱼游动方式分类

简单来说，鱼主要通过摆动身体或者身体的一部分，让水在鱼身体表面产生压力差，这种压力差就是鱼向前游动的主要动力。根据鱼在游动时的摆动身体的部位，大致可以把鱼的游动方式分为四类，鳗鱼式，鲑鱼式，马鲹鱼式和金枪鱼式。在鳗鱼式中，鱼需要依靠全身的摆动来产生动力。这类鱼体型细长，游速相对较慢，但灵活性很强，甚至可以向后游动。在鲑鱼式中，鱼的全身也会摆动，但主要依靠身体的后半部分的摆动来产生动力，头部的摆动幅度相对较小。因此这类鱼的身体会相对坚硬，游速也较快，但灵活性相对于鳗鱼式的鱼有所降低。游动方式为马鲹鱼式的鱼，身体会更加坚硬，游速更快。这类鱼的前进动力主要依靠尾部提供，头部的摆动幅度很小。而游动方式为金枪鱼式的鱼游速最大，其前进动力全部依靠尾部的摆动提供。这类鱼的尾部往往看起来很有力，巨大的尾部使得这类鱼可以进行长距离的跋涉。

在我们日常生活中，常见鱼的游动方式属于中间两类，鲑鱼式或者马鲹鱼式，即鱼的游动动力主要来自身体尾部的摆动。而在这两类鱼的游动方式中，鱼的游动状态可以分为两类，连续游动和间歇性游动。在池塘或者鱼缸中，我们经常看到鱼处于缓慢而稳定的游动状态，在这种状态下，鱼的尾部会不停地缓慢摆动。但有时候也会看到，鱼处于另一种游动状态，即鱼会在一瞬间快速摆动尾部并获较大的初始速度，然后身体几乎保持笔直并依靠惯性向前移动，当由于阻力的原因游动速度减小到一定程度的时候，鱼会再次快速摆动尾部，如此反复。因此，我们称第一种游动方式为连续游动(continuous swimming)，而称第二种方式为间歇性游动(intermittent swimming,或burst-and-coast swimming)。

鱼处于连续游动状态[2]

鱼处于间歇性游动状态[2].

两种鱼游动状态的CFD模拟

弗吉尼亚大学的Haibo Dong课题组[2,3]利用CFD计算模拟出了鱼的两种游动状态，使得我们可以对鱼在游动时的水动力学特征有了清晰的认识和物理图像。在这项研究中，该研究组首先利用高速摄像机拍摄出真实情况下鱼的运动状态，然后根据影像重构出CFD计算模型，并进行CFD计算。CFD计算得到的大量的数据，使我们可以知道鱼游动时附近水的流动特征。下面的图显示出了鱼在两种游动状态下，周围的水产生的涡结构。从图中可以看出，当鱼处于连续游动状态的时候，涡结构在鱼的背鳍和摆动的尾鳍处大量产生，而背鳍产生的涡与尾鳍产生的涡相互作用并脱落到水中。伴随这些涡的产生，鱼会获得向前的动力，因此这类鱼向前的动力主要是由于尾部的摆动而产生的。当鱼处于间歇性游动状态的时候，尾部在很短的时间内快速摆动，从而产生强度很大的涡结构，使得鱼获得很大的向前动力。因此，无论鱼利用哪种方式游动，其物理原理是一样的。

鱼连续游动状态下的水的涡结构[2].

鱼间歇性游动状态下的水的涡结构[2].

下面的图显示了在两种游动状态下的鱼表面的压力分布，红色表示该区域压力较大，而蓝色表示该区域压力较小。当鱼的尾部在左右摆动的时候，尾部的左右两侧会出现压力差，而压力差向前的分量提供了鱼前进的大部分动力。因此，压力差越大，鱼获得向前的动力也越大。从图中可以看出，压力差主要出现在鱼的尾部，这显示出了鱼的尾部提供了大部分鱼的前进动力。相比于连续游动，在间歇性游动中鱼尾部摆动产生的压力差更大，这就说明了在间歇性游动中鱼的尾部摆动会产生更大的推动力。

鱼连续游动状态下的鱼身表面压力分布[2].

鱼间歇性游动状态下的鱼身表面压力分布[2].

[1] Sfakiotakis, M., Lane, D.M. and Davies, J.B.C., 1999. Review of fish swimming modes for aquatic locomotion. IEEE Journal of oceanic engineering, 24(2), pp.237-252.

[2] Y. Ren, G. Liu, P. Han, H. Dong, V. Santo, G. Lauder, Swimming Upstream: Computational Hydrodynamics of Trout Locomotion. https://gfm.aps.org/meetings/dfd-2016/57db4473b8ac311791000b19

[3] Liu, G., Ren, Y., Dong, H., Akanyeti, O., Liao, J.C. and Lauder, G.V., 2017. Computational analysis of vortex dynamics and performance enhancement due to body–fin and fin–fin interactions in fish-like locomotion. Journal of Fluid Mechanics, 829, pp.65-88.

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