鳥類飛行與游動(dòng)的流體力學(xué) 精選

已有 579 次閱讀 2014-9-23 08:20 |個(gè)人分類:科學(xué)書摘|系統(tǒng)分類:觀點(diǎn)評(píng)述|關(guān)鍵詞:中國科學(xué)院 中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略 流體動(dòng)力學(xué) 國家科學(xué)思想庫 科學(xué)出版社

動(dòng)物外部表面在流體中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生氣動(dòng)力或水動(dòng)力的規(guī)律。昆蟲、鳥和獸（蝙蝠）的飛行，以及魚類和哺乳類（鯨、海豚等）的游動(dòng)是由作用于其上的氣動(dòng)力或水動(dòng)力所決定的。勻速飛行或游動(dòng)時(shí)，作用于動(dòng)物的氣動(dòng)力或水動(dòng)力決定了其運(yùn)動(dòng)速度和所需的能耗；運(yùn)動(dòng)受到擾動(dòng)時(shí)或動(dòng)物希望做機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣動(dòng)力或水動(dòng)力隨時(shí)間的變化特性決定了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性。運(yùn)動(dòng)速度的快慢、運(yùn)動(dòng)效率和持久性及運(yùn)動(dòng)的機(jī)動(dòng)性與攫取食物、逃避敵害、追求配偶等生存需要密切相關(guān)。因而，了解動(dòng)物外部表面產(chǎn)生氣動(dòng)力和水動(dòng)力的機(jī)制和規(guī)律，是研究相關(guān)動(dòng)物的比較生理學(xué)、行為學(xué)、生態(tài)學(xué)及進(jìn)化的基礎(chǔ)。這些機(jī)制和規(guī)律也可為發(fā)展新型飛行器和水下航行器提供仿生學(xué)指導(dǎo)。

鳥類飛行時(shí)產(chǎn)生升力以托舉其重量，產(chǎn)生推力以克服身體各部分阻力?？赡苁且?yàn)轼B的尺寸較大從而翅膀運(yùn)動(dòng)雷諾數(shù)較大及拍動(dòng)頻率較低，人們一般認(rèn)為鳥產(chǎn)生升力的機(jī)制與飛機(jī)類似，即鳥翼是用傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)原理產(chǎn)生升力和阻力的（這里“傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)”指定常、附著流的空氣動(dòng)力學(xué)）。這樣，廣泛用于飛機(jī)機(jī)翼、直升機(jī)旋翼和飛機(jī)螺旋槳的，基于葉素理論和動(dòng)量定理的準(zhǔn)定常方法，就可以用來計(jì)算鳥類的升力、阻力和能耗了。這些觀點(diǎn)反映在早期的一些專著中。反過來說，如果用葉素理論和動(dòng)量定理計(jì)算出的升力能平衡鳥的重量，也就從一個(gè)側(cè)面證明了上述有關(guān)鳥類用傳統(tǒng)空氣動(dòng)力學(xué)原理產(chǎn)生氣動(dòng)力的猜想。但是，要利用葉素理論，需要知道鳥翼每一剖面任一時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)速度和攻角，以及剖面的升力、阻力系數(shù)隨攻角的變化關(guān)系。獲得這些數(shù)據(jù)是十分困難的（測量鳥翼拍動(dòng)時(shí)的形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)比測量昆蟲的這些參數(shù)困難得多）。因而，人們并沒有系統(tǒng)地進(jìn)行這方面的工作。早期的研究主要是用簡單的力學(xué)原理估算氣動(dòng)力和能耗：升力等于重量（可測得）；推力等于身體各部分阻力，其與V２（V為飛行速度）成正比；產(chǎn)生升力所需的功率（稱為誘導(dǎo)功率），用動(dòng)量定理計(jì)算，其與１／V（應(yīng)用動(dòng)量定理時(shí)假設(shè)鳥翼掃過的面積為一圓面）成正比。從而可知，飛行的需用功率由兩部分組成：克服身體各部分阻力的功率，正比于V３；誘導(dǎo)功率，正比于１／V。這表明飛行速度較小或較大時(shí)，功率較大，而在某一中等速度下，功率最小，即功率隨飛行速度的變化關(guān)系呈一U形曲線（飛機(jī)和直升機(jī)亦如此）。

上面應(yīng)用動(dòng)量定理的計(jì)算中將鳥翼的作用視為一圓形作用面，以常速（誘導(dǎo)速度）下排空氣，這是對(duì)鳥翼與周圍空氣相互作用的一個(gè)很大的簡化。人們?cè)噲D知道鳥翼究竟是怎樣與周圍的空氣相互作用而產(chǎn)生氣動(dòng)力的。鳥飛行時(shí)留下的尾跡是鳥翼與空氣相互作用的結(jié)果；對(duì)尾跡的流動(dòng)顯示和定量測量也相對(duì)容易一些。因而人們開始通過研究鳥的尾跡來推知和估算翼上的氣動(dòng)力。

最早的這類研究是Rayner的尾渦理論模型，其對(duì)拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)做一些假設(shè)后，基于渦動(dòng)力學(xué)理論認(rèn)為，翼每次下拍產(chǎn)生一標(biāo)準(zhǔn)的圓形渦環(huán)（上拍無作用），尾跡由渦環(huán)串組成。給定鳥的重量，平均升力就確定了，從而渦環(huán)的強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)可確定，進(jìn)而誘導(dǎo)功率可確定。當(dāng)時(shí)的（較粗略的）流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)也表明了尾跡中有環(huán)狀渦結(jié)構(gòu)。這一模型比動(dòng)量定理的圓盤作用面模型更真實(shí)地反映了鳥翼與流體的相互作用，可更好地計(jì)算誘導(dǎo)功率，但其對(duì)尾跡和拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)都做了較大的簡化假設(shè)，之后的許多流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)都表明了這一點(diǎn)。

隨著流場速度測量方法的發(fā)展，人們開始用PIV方法定量測量鳥類尾跡的速度場，從而可計(jì)算出渦量場；還建造了專門的風(fēng)洞，并發(fā)展了新的訓(xùn)練鳥在風(fēng)洞中飛行的方法Spedding等系統(tǒng)地測量了一種夜鶯在不同飛行速度下飛行的尾跡速度場（離鳥約15個(gè)弦長之后的遠(yuǎn)場尾跡），從而獲得尾渦結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。結(jié)果表明：飛行速度較低時(shí)，遠(yuǎn)場尾跡主要由一對(duì)對(duì)的渦環(huán)組成，下拍產(chǎn)生一直徑較大、環(huán)量較大的渦環(huán)（非標(biāo)準(zhǔn)圓形），上拍產(chǎn)生一較小和較弱的渦環(huán)。飛行速度較大時(shí)，尾跡主要由兩個(gè)分別發(fā)自左右翼尖的尾渦（流向渦）和連接它們的若干展向渦構(gòu)成（形狀猶如梯子）；兩尾渦的環(huán)量沿其渦軸線周期性變化，兩尾渦的間距和兩尾渦在垂直方向的位置也周期性地變化。在較小和較大速度之間，隨著速度的增加，尾跡從前者逐漸過渡到后者。用測得的渦的環(huán)量，渦的幾何形狀和方位，可近似估算出翼上拍的平均氣動(dòng)力和下拍的平均氣動(dòng)力分別是多少。估算出的升力能近似平衡鳥的重量。這一工作的意義在于，它能告訴人們氣動(dòng)力是上拍還是下拍產(chǎn)生的，各產(chǎn)生多少，升力和阻力分別是多少。

接著，同一研究小組對(duì)形態(tài)和運(yùn)動(dòng)上各異的若干鳥類做了類似的實(shí)驗(yàn)研究，不同的鳥、同一鳥在不同飛行速度下，尾渦結(jié)構(gòu)不同，但都與上述夜鶯的某一種尾渦結(jié)構(gòu)大體上相似。

到目前為止的尾跡測量能近似給出上拍或下拍的平均氣動(dòng)力，有時(shí)甚至可近似給出瞬時(shí)氣動(dòng)力，但是由于沒有翼面附近的流場信息，這些工作不能解釋氣動(dòng)力是如何產(chǎn)生的。有研究稱，斑鹟的瞬時(shí)氣動(dòng)力合力系數(shù)最大可達(dá)2.7，如此大的力系數(shù)是不能用傳統(tǒng)的空氣動(dòng)力學(xué)原理解釋的，其產(chǎn)生的機(jī)制十分值得研究。今后的工作應(yīng)著眼于翅膀拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)中形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的細(xì)致測量，翼面附近的流場、翼面壓強(qiáng)和翼的氣動(dòng)力的測量和（或）計(jì)算，這樣才能揭示鳥翼產(chǎn)生升力和推力的機(jī)制。

上面有關(guān)鳥類飛行的研究簡介，沒有包括蜂鳥。與其他鳥不同，蜂鳥的拍動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式更像昆蟲，上拍時(shí)可將翅膀翻轉(zhuǎn)過來（翅背部作下翼面，底部作上翼面），產(chǎn)生與下拍同量級(jí)的氣動(dòng)力（其他鳥的上拍中，通常翅膀面積變小，攻角近似為零，產(chǎn)生很小的氣動(dòng)力或幾乎不產(chǎn)生氣動(dòng)力）。因?yàn)榭墒狗澍B在實(shí)驗(yàn)室條件下長時(shí)間懸停，對(duì)其流場的測量也更詳盡些，有尾跡的結(jié)果，也有一些翼面附近的流場的結(jié)果。尾跡流場（從而渦量場）的測量結(jié)果給出了上拍和下拍分別產(chǎn)生的平均氣動(dòng)力。翼面附近的測量的結(jié)果表明翅上存在前緣渦，流動(dòng)不是附著的。這表明蜂鳥有可能是用與昆蟲類似的機(jī)制產(chǎn)生氣動(dòng)力，但這需要進(jìn)一步的工作來證實(shí)，特別是需要翅膀氣動(dòng)力、翼面壓力分布和翼附近的流場的測量和計(jì)算方面的工作。有關(guān)蜂鳥前飛的工作還沒有開展。

本文摘編自中國科學(xué)院編中國學(xué)科發(fā)展戰(zhàn)略系列之《流體動(dòng)力學(xué)》一書。

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