魚類波狀游動的流體力學模型及其應用

韓雅婷

摘 要：在科技飛速發展的今天，我們的科研領域在不斷擴展，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，從流體力學的角度去分析魚類波狀游動卻是很復雜的，其中所蘊含著深刻的流體力學機制，對其進行進一步的了解，水下飛行器的設計就是深受其啟發而研制出來的，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模型及其應用有一個更好的認知。

關鍵詞：魚類波狀游動；流體力學；應用

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射出的噴流來實現的運動，有魷魚等；

第三類是波狀擺動前進，即水生動物的身體作橫向扭曲，往復運動，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方式，例如魚類的運動。

（二）魚類波狀游動的原理和啟發

1.魚類波狀游動的原理

魚在其神經信號控制下，指揮其體內一種叫推進肌的肌肉，產生收縮動作，帶動魚體內的被動生物組織，一起實現波狀擺動。推進肌在肌肉中所占的比例是很大的，因為魚類實現波狀擺動的主要動力來自于推進肌。

2.魚類波狀游動所受到的啟發

其實我們可以把魚比作一臺機器，那么魚的推進肌就是機器的動力源，其所蘊藏的生化能轉化為機械能，在此基礎上產生了魚游運動生物力學，其所包含了神經控制、肌肉力學、水中的推進機制等，其所給我們人類帶來的變化是天翻地覆的。

二、魚類波狀游動的流體力學模型

（一）流體力學的理論基礎

19世紀科學家部分地運用流體力學，部分地采用歸納實驗結果的半經驗公式進行研究，這就形成了水力學；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），它是流體力學的理論基礎。

（二）魚類波狀游動時推力的產生因素

1.尾渦作用

魚尾在往復擺動時，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，產生前緣吸力，構成一部分推力。

3.建立流體力學模型

力學研究的主旨在于能夠建立模型，從而解決問題，在復雜的問題里要能夠抓住主導因素，化簡為力學模型和相應的數學模型，得出合理的結果，并揭示與其有關的規律，為未來科學的發展奠定一定的基礎。

Lighthill率先對體形瘦長的游魚提出了細長體模型，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長理論的假定準二維流動，而是在魚體的腹、背邊緣處出現了更是復雜的三維流動。

三、魚類波狀游動的流體力學應用

（一）時代背景

在科技迅猛發展的今天，有限的陸地資源正在日益減少，有些資源已經枯竭，我們所面臨的問題是嚴峻的，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資源是豐富的，21世紀是藍色的，因為海洋將會是21世紀的主題，它是一個藍色夢幻般的世界。隨著科技的進步，人類對海洋的利用和開發也取得了進一步的發展，具有多功能的水下機器人已成為探索海洋、開發海洋、利用海洋和海洋防衛的重要工具。

（二）創造發明

通過對魚類波狀游動的流體力學中水中推進機制、能量裝換及其效率等的研究，在此基礎上仿生機器魚誕生了。仿生機器魚所具有在水下作業工作時間長、范圍廣、適應能力強的優點，因此被用于眾多場合，例如進行海洋生物考察、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、敵方不易發現等特點，可以進行很好的隱蔽，鑒于仿生機器魚的這些優點，國內外諸多學者對仿生機器魚的研究和開發越來越重視，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，為人類的發展和進步做出了突出的貢獻。

（三）未來方向

海洋生物中的魚類，數量巨大，千奇百怪，經過了數億萬年的進化，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模式的啟發下，可繼續向研制高效低噪、靈活機動的仿生機器魚的目標邁進，這樣就可以解決在復雜的水下環境中進行作業困難的問題。

四、總結

作為新時代的莘莘學子，我們首先應具備良好的品質和學識，其次要與時俱進，不斷充實自己，培養自己勤于思考、善于動手的良好學習習慣和生活習慣，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有的貢獻。科研源于生活，同時又應用于我們的生活，我們要有敏銳的洞察力，細心的觀察生活，不斷提高自身素質，為以后的道路奠定堅實的基礎。

參考文獻：

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

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

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