Unraveling hydrodynamic interactions in fish schools: A three-dimensional computational study of in-line and side-by-side configurations

物理 直线(几何图形) 鱼 机械 统计物理学 几何学 渔业 数学 生物
作者
Yu Pan,Wei Zhang,John M. Kelly,Haibo Dong
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (8) 被引量:24
标识
DOI:10.1063/5.0201965
摘要

We numerically investigate the effects of spatial distance and phase difference on hydrodynamic interactions between a pair of three-dimensional fish-like bodies arranged in both in-line and side-by-side configurations. In in-line schools, the leading fish experiences up to a 5.3% increase in propulsive efficiency, attributed to the water blockage effect caused by the following fish. In comparison, the following fish experiences an increase in drag and power consumption along its body. Detailed analysis reveals that this rise in drag primarily results from an increase in friction drag (89%). Furthermore, altering the phase difference between the fish can help reduce pressure drag on the following fish. In side-by-side schools with in-phase swimming, a reduction of 6.8% in power consumption on the caudal fin is achieved for each fish when the transverse distance is maintained at 0.25 body lengths. Flow analysis reveals that the decrease in power usage is attributed to a diminished velocity field between the caudal fins, facilitating flow separation and subsequently reducing energy expenditure. For the out-of-phase swimming, the side-by-side school system experiences enhanced thrust production, owing to a wake energy recapture mechanism. The degree of enhancement for each fish is determined by the phase difference.
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