鄧見教授課題組論文發表在Journal of Fluid Mechanics

浙江大學鄧見教授團隊發表論文：魚類集群游動的混合模型（2025年4月）

研究背景：自然界生物集群具有自發、自組織、去中心化等特點。以魚群為例，過往的研究大致分兩類：一類是生物學家聚焦在基于統計物理學觀點，采用簡化的自推進點粒子模型，研究不同集群模態的涌現，該模型可考慮數量巨大的群體；另一類是流體力學研究者，采用水動力學實驗或者數值模擬，研究少量個體間的協同游動，旨在探究集群中的節能機制。兩類研究考慮的力也不相同，前者考慮主動的社會力，后者考慮被動的水動力。而真實魚群既有在“自主意愿”控制下的主動游動，又會受周圍流體環境被動影響。過往的研究缺乏將這兩種因素合理關聯的統一框架。

論文提出了一種研究魚類集群運動的混合數值模型，該方法將代理模型與基于計算流體力學（CFD）的直接數值模擬相耦合。在代理模型中，魚群被表征為自驅動粒子（SPP），通過社會力與局部交互規則的結合實現群體行為。基于CFD的模型則將魚體視為受周圍流體動力作用的波動體。這兩個模型通過中樞模式發生器（CPG）實現耦合。文中使用30至50條個體組成的魚群對該混合模型進行了測試。結果表明，通過調節SPP模型的系數，群體可以呈現多種集群行為模式，包括緊密群游、稀疏群游和渦旋運動。由于流體力學相互作用（尤其是避障模型的影響），個體和群體的平均速度均產生波動，這一特征有別于傳統SPP模型中通常采用的無體積粒子假設。更有趣的是，研究發現無論是群游還是渦旋運動模式，魚類在能量消耗方面都能從集群運動中獲益。需要特別指出的是，本模型中魚的游動僅采用非常簡單的驅動機制而未進行任何優化。此外，研究探討了雷諾數的影響，驗證了當前混合模型能夠適用于不同體長或游動速度的魚類群體。該模型在未來可被進一步擴展與補充，研究不同類型流體環境中的集群運動行為。

圖3.混合模型示意圖:通過中樞模式發生器（CPG）控制器,將自驅動粒子（SPP）模型與計算流體動力學（CFD）模型進行耦合.

圖9. 穩定狀態下四種集群模態: (a) S0, 緊密群游狀態 (t/T=50); (b) S1, N=30個體稀疏群游狀態 (t/T=58); (c) S2, N=50個體稀疏群游狀態 (t/T=45); (d) M1, 渦旋運動狀態(t/T=50).注: 可在原文鏈接下載這些算例的補充視頻.

該研究成果以“A hybrid numerical model for the collective motion of fish groups”為題發表在流體力學頂刊Journal of Fluid Mechanics。浙江大學航空航天學院碩士生毛雪維是該文第一作者，鄧見教授是該論文通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金資助。

原文鏈接： https://doi.org/10.1017/jfm.2025.216