突出的眼睛和嘴巴使黃貂魚在流體動(dòng)力學(xué)上更有效率

華盛頓，2021 年 8 月 31 日——憑借壓縮的身體和靈活的胸鰭，黃貂魚進(jìn)化成為自然界中最高效的游泳者之一。長(zhǎng)期以來，科學(xué)家們一直想知道它們突出的眼睛和嘴巴所起的作用，人們可能認(rèn)為這是流體動(dòng)力學(xué)的缺點(diǎn)。

在AIP Publishing 出版的《流體物理學(xué)》中，中國和韓國的研究人員詳細(xì)介紹了模擬黃貂魚的這些特征如何影響與推進(jìn)相關(guān)的一系列力，例如壓力和渦度。盡管人們可能會(huì)期待，該小組發(fā)現(xiàn)這些突出的特征有助于進(jìn)一步簡(jiǎn)化黃貂魚。

“3D 突出的眼睛和嘴巴對(duì)自走式柔性黃貂魚的影響及其潛在的流體動(dòng)力學(xué)機(jī)制尚未完全了解，”來自韓國先進(jìn)科學(xué)技術(shù)研究所的作者 Hyung Jin Sung 說。“在本研究中，首次探索了突出眼睛和嘴巴的流體動(dòng)力學(xué)益處，揭示了突出眼睛和嘴巴的流體動(dòng)力學(xué)作用。”

為了說明水動(dòng)力之間復(fù)雜的相互作用，研究人員著手創(chuàng)建自推進(jìn)柔性板的計(jì)算機(jī)模型。他們“夾住”了模型的前端，然后強(qiáng)迫它模仿黃貂魚用來推動(dòng)自己的上下諧波振蕩。

為了重現(xiàn)眼睛和嘴巴對(duì)周圍水體的影響，該團(tuán)隊(duì)在模型上模擬了多個(gè)剛性板。他們使用一種稱為懲罰浸入邊界法的技術(shù)將該模型與沒有眼睛和嘴巴的模型進(jìn)行比較。

“管理隨機(jī)游動(dòng)的魚并從眾多因素中分離出預(yù)期的測(cè)量目的是很困難的，”Sung 說。“為了克服這些限制，采用懲罰浸入邊界方法來尋找突出的眼睛和嘴巴的流體動(dòng)力學(xué)優(yōu)勢(shì)。”

研究小組發(fā)現(xiàn)，眼睛和嘴巴在前后方向產(chǎn)生了流動(dòng)渦流，增加了模擬動(dòng)物正面的負(fù)壓，而左右渦流則增加了黃貂魚上下之間的壓差。結(jié)果是增加了推力和加速巡航。

進(jìn)一步的分析表明，眼睛和嘴巴的整體推進(jìn)效率分別提高了 20.5% 和 10.6% 以上。

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