マグロの移動：フィンレット関数の計算流体力学的分析

フィンレットは、スコムブリッド魚（サバ、ボニトス、マグナ）に共通する一連の小さな再取得不可能なフィンです。これらの小さなフィンは、推進力のあるパフォーマンスに潜在的に影響する可能性があると仮定されています。ここでは、実験的アプローチと計算的アプローチを組み合わせて、安定した水泳中にイエローフィンマグロ（Thunnus Albacares）のフィンレットの流体力学を調査します。フィンレットの生体内運動に関する運動学的データを提供するために、高速ビデオが取得されました。次に、再構築された運動学を備えた生物学的に現実的な複数フィンレットモデルの流体力学的性能と渦ダイナミクスを調べるために、高忠実度のシミュレーションを実施しました。フィンレットは、盛り上がった動きとピッチング運動の両方を経験し、体に沿って前から後部へと位相が遅れていることがわかった。シミュレーション結果は、フィンレットが抗力生成であり、推力を生成しなかったことを示しています。フィンレット間の相互作用は、フィンレットの総ドラッグを21.5％削減するのに役立ちました。フィンレットのピッチングモーションは、非ピッチングフィンレットと比較して、水泳中にフィンレットが消費する電力を20.8％減らすのに役立ちました。さらに、ピッチングフィンレットは、後方の体の羽ばたきを促進するために建設的な力を生み出しました。Wake Dynamics分析では、Scombrid魚の流体力学的機能をサポートするピッチングフィンレットによってリダイレクトされたユニークな渦管マトリックス構造とクロスフローストリームが明らかになりました。モデリングの制限と結果の一般性についても説明します。

Finlets are a series of small non-retractable fins common to scombrid fishes (mackerels, bonitos and tunas), which are known for their high swimming speed. It is hypothesized that these small fins could potentially affect propulsive performance. Here, we combine experimental and computational approaches to investigate the hydrodynamics of finlets in yellowfin tuna (Thunnus albacares) during steady swimming. High-speed videos were obtained to provide kinematic data on the in vivo motion of finlets. High-fidelity simulations were then carried out to examine the hydrodynamic performance and vortex dynamics of a biologically realistic multiple-finlet model with reconstructed kinematics. It was found that finlets undergo both heaving and pitching motion and are delayed in phase from anterior to posterior along the body. Simulation results show that finlets were drag producing and did not produce thrust. The interactions among finlets helped reduce total finlet drag by 21.5%. Pitching motions of finlets helped reduce the power consumed by finlets during swimming by 20.8% compared with non-pitching finlets. Moreover, the pitching finlets created constructive forces to facilitate posterior body flapping. Wake dynamics analysis revealed a unique vortex tube matrix structure and cross-flow streams redirected by the pitching finlets, which supports their hydrodynamic function in scombrid fishes. Limitations on modelling and the generality of results are also discussed.