魚類波狀游動的流體力學(xué)模型及其應(yīng)用

韓雅婷

摘 要：在科技飛速發(fā)展的今天，我們的科研領(lǐng)域在不斷擴展，我們的生活瞬息萬變。眾所周知魚類的游動看似很簡單，其實不然，從流體力學(xué)的角度去分析魚類波狀游動卻是很復(fù)雜的，其中所蘊含著深刻的流體力學(xué)機制，對其進(jìn)行進(jìn)一步的了解，水下飛行器的設(shè)計就是深受其啟發(fā)而研制出來的，并能對解決一些實際軍工方面的問題有著很大的幫助。讓我們一起來對魚類波狀游動的流體力學(xué)模型及其應(yīng)用有一個更好的認(rèn)知。

關(guān)鍵詞：魚類波狀游動；流體力學(xué)；應(yīng)用

一、魚類波狀游動的概述

（一）水生動物運動方式的分類

水生動物的運動方式一般分為三類：

第一類為依靠其體表大量纖毛來完成運動的多種原生物和腔腸動物；

第二類是依靠其體內(nèi)射出的噴流來實現(xiàn)的運動，有魷魚等；

第三類是波狀擺動前進(jìn)，即水生動物的身體作橫向扭曲，往復(fù)運動，以橫波的方式由前向后傳播，這是水生動物最廣泛采用的一種推進(jìn)方式，例如魚類的運動。

（二）魚類波狀游動的原理和啟發(fā)

1.魚類波狀游動的原理

魚在其神經(jīng)信號控制下，指揮其體內(nèi)一種叫推進(jìn)肌的肌肉，產(chǎn)生收縮動作，帶動魚體內(nèi)的被動生物組織，一起實現(xiàn)波狀擺動。推進(jìn)肌在肌肉中所占的比例是很大的，因為魚類實現(xiàn)波狀擺動的主要動力來自于推進(jìn)肌。

2.魚類波狀游動所受到的啟發(fā)

其實我們可以把魚比作一臺機器，那么魚的推進(jìn)肌就是機器的動力源，其所蘊藏的生化能轉(zhuǎn)化為機械能，在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生了魚游運動生物力學(xué)，其所包含了神經(jīng)控制、肌肉力學(xué)、水中的推進(jìn)機制等，其所給我們?nèi)祟悗淼淖兓翘旆馗驳摹?/p>

二、魚類波狀游動的流體力學(xué)模型

（一）流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)

19世紀(jì)科學(xué)家部分地運用流體力學(xué)，部分地采用歸納實驗結(jié)果的半經(jīng)驗公式進(jìn)行研究，這就形成了水力學(xué)；1822年，納維建立了粘性流體的基本運動方程；1845年，斯托克斯納維-斯托克斯方程（簡稱N-S方程），它是流體力學(xué)的理論基礎(chǔ)。

（二）魚類波狀游動時推力的產(chǎn)生因素

1.尾渦作用

魚尾在往復(fù)擺動時，將邊界層中的渦量脫泄出旋渦，行成尾渦系，由于尾流形似向后噴流，對魚體的反作用即為推力。

2.前緣吸力

當(dāng)水流過魚體上曲率很大的鈍前緣和尾鰭前緣時，局部流速增大，形成了低壓區(qū)，產(chǎn)生前緣吸力，構(gòu)成一部分推力。

3.建立流體力學(xué)模型

力學(xué)研究的主旨在于能夠建立模型，從而解決問題，在復(fù)雜的問題里要能夠抓住主導(dǎo)因素，化簡為力學(xué)模型和相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，得出合理的結(jié)果，并揭示與其有關(guān)的規(guī)律，為未來科學(xué)的發(fā)展奠定一定的基礎(chǔ)。

Lighthill率先對體形瘦長的游魚提出了細(xì)長體模型，在歐洲 一直沿用了幾十年。最近MT從魚游的流動顯示中觀察到，魚體周圍的流場不符合細(xì)長理論的假定準(zhǔn)二維流動，而是在魚體的腹、背邊緣處出現(xiàn)了更是復(fù)雜的三維流動。

三、魚類波狀游動的流體力學(xué)應(yīng)用

（一）時代背景

在科技迅猛發(fā)展的今天，有限的陸地資源正在日益減少，有些資源已經(jīng)枯竭，我們所面臨的問題是嚴(yán)峻的，我們必須去探索新的資源，自然而然我們想到了海洋，因為它所占得面積為地球的71%，其所蘊藏的生物和礦產(chǎn)資源是豐富的，21世紀(jì)是藍(lán)色的，因為海洋將會是21世紀(jì)的主題，它是一個藍(lán)色夢幻般的世界。隨著科技的進(jìn)步，人類對海洋的利用和開發(fā)也取得了進(jìn)一步的發(fā)展，具有多功能的水下機器人已成為探索海洋、開發(fā)海洋、利用海洋和海洋防衛(wèi)的重要工具。

（二）創(chuàng)造發(fā)明

通過對魚類波狀游動的流體力學(xué)中水中推進(jìn)機制、能量裝換及其效率等的研究，在此基礎(chǔ)上仿生機器魚誕生了。仿生機器魚所具有在水下作業(yè)工作時間長、范圍廣、適應(yīng)能力強的優(yōu)點，因此被用于眾多場合，例如進(jìn)行海洋生物考察、海底勘探等。

軍事方面，由于在聲納上的表現(xiàn)形式仿生機器魚和生物魚類幾乎相同，其所具有的噪聲小、敵方不易發(fā)現(xiàn)等特點，可以進(jìn)行很好的隱蔽，鑒于仿生機器魚的這些優(yōu)點，國內(nèi)外諸多學(xué)者對仿生機器魚的研究和開發(fā)越來越重視，研制出了許多新型的仿生機器魚，取得了很多驚人的成果，設(shè)計出來的仿生機器魚樣機的種類也是多種多樣的，為人類的發(fā)展和進(jìn)步做出了突出的貢獻(xiàn)。

（三）未來方向

海洋生物中的魚類，數(shù)量巨大，千奇百怪，經(jīng)過了數(shù)億萬年的進(jìn)化，其所具有的游動能力是不同尋常的。魚類通過借助身體使得周圍的水動起來以此而獲得推力，這種方式之所以使其具有很高的推進(jìn)效率、機動性也好，是因為它能精確的控制渦流，研究人員在魚類游動推進(jìn)模式的啟發(fā)下，可繼續(xù)向研制高效低噪、靈活機動的仿生機器魚的目標(biāo)邁進(jìn)，這樣就可以解決在復(fù)雜的水下環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)困難的問題。

四、總結(jié)

作為新時代的莘莘學(xué)子，我們首先應(yīng)具備良好的品質(zhì)和學(xué)識，其次要與時俱進(jìn)，不斷充實自己，培養(yǎng)自己勤于思考、善于動手的良好學(xué)習(xí)習(xí)慣和生活習(xí)慣，最后我們要富有不斷探索和思考的精神，去為自己的祖國、為這個世界、為地球上的人類做出自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)?？蒲性从谏睿瑫r又應(yīng)用于我們的生活，我們要有敏銳的洞察力，細(xì)心的觀察生活，不斷提高自身素質(zhì)，為以后的道路奠定堅實的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 童秉綱.魚類波狀游動的推進(jìn)機制[J].2000（22）：69-71.

[2] 程健宇.水生動物的流體力學(xué)研究[D].中國科技大學(xué)博士論文，1988.

[3] 喻俊志，王碩，等.仿生機器魚研究的進(jìn)展分析[J].控制理論與應(yīng)用，2003，20（4）：485-491.