鱼类波状游动的流体力学模型及其应用

韩雅婷

摘 要：在科技飞速发展的今天，我们的科研领域在不断扩展，我们的生活瞬息万变。众所周知鱼类的游动看似很简单，其实不然，从流体力学的角度去分析鱼类波状游动却是很复杂的，其中所蕴含着深刻的流体力学机制，对其进行进一步的了解，水下飞行器的设计就是深受其启发而研制出来的，并能对解决一些实际军工方面的问题有着很大的帮助。让我们一起来对鱼类波状游动的流体力学模型及其应用有一个更好的认知。

关键词：鱼类波状游动；流体力学；应用

一、鱼类波状游动的概述

（一）水生动物运动方式的分类

水生动物的运动方式一般分为三类：

第一类为依靠其体表大量纤毛来完成运动的多种原生物和腔肠动物；

第二类是依靠其体内射出的喷流来实现的运动，有鱿鱼等；

第三类是波状摆动前进，即水生动物的身体作横向扭曲，往复运动，以横波的方式由前向后传播，这是水生动物最广泛采用的一种推进方式，例如鱼类的运动。

（二）鱼类波状游动的原理和启发

1.鱼类波状游动的原理

鱼在其神经信号控制下，指挥其体内一种叫推进肌的肌肉，产生收缩动作，带动鱼体内的被动生物组织，一起实现波状摆动。推进肌在肌肉中所占的比例是很大的，因为鱼类实现波状摆动的主要动力来自于推进肌。

2.鱼类波状游动所受到的启发

其实我们可以把鱼比作一台机器，那么鱼的推进肌就是机器的动力源，其所蕴藏的生化能转化为机械能，在此基础上产生了鱼游运动生物力学，其所包含了神经控制、肌肉力学、水中的推进机制等，其所给我们人类带来的变化是天翻地覆的。

二、鱼类波状游动的流体力学模型

（一）流体力学的理论基础

19世纪科学家部分地运用流体力学，部分地采用归纳实验结果的半经验公式进行研究，这就形成了水力学；1822年，纳维建立了粘性流体的基本运动方程；1845年，斯托克斯纳维-斯托克斯方程（简称N-S方程），它是流体力学的理论基础。

（二）鱼类波状游动时推力的产生因素

1.尾涡作用

鱼尾在往复摆动时，将边界层中的涡量脱泄出旋涡，行成尾涡系，由于尾流形似向后喷流，对鱼体的反作用即为推力。

2.前缘吸力

当水流过鱼体上曲率很大的钝前缘和尾鳍前缘时，局部流速增大，形成了低压区，产生前缘吸力，构成一部分推力。

3.建立流体力学模型

力学研究的主旨在于能够建立模型，从而解决问题，在复杂的问题里要能够抓住主导因素，化简为力学模型和相应的数学模型，得出合理的结果，并揭示与其有关的规律，为未来科学的发展奠定一定的基础。

Lighthill率先对体形瘦长的游鱼提出了细长体模型，在欧洲 一直沿用了几十年。最近MT从鱼游的流动显示中观察到，鱼体周围的流场不符合细长理论的假定准二维流动，而是在鱼体的腹、背边缘处出现了更是复杂的三维流动。

三、鱼类波状游动的流体力学应用

（一）时代背景

在科技迅猛发展的今天，有限的陆地资源正在日益減少，有些资源已经枯竭，我们所面临的问题是严峻的，我们必须去探索新的资源，自然而然我们想到了海洋，因为它所占得面积为地球的71%，其所蕴藏的生物和矿产资源是丰富的，21世纪是蓝色的，因为海洋将会是21世纪的主题，它是一个蓝色梦幻般的世界。随着科技的进步，人类对海洋的利用和开发也取得了进一步的发展，具有多功能的水下机器人已成为探索海洋、开发海洋、利用海洋和海洋防卫的重要工具。

（二）创造发明

通过对鱼类波状游动的流体力学中水中推进机制、能量装换及其效率等的研究，在此基础上仿生机器鱼诞生了。仿生机器鱼所具有在水下作业工作时间长、范围广、适应能力强的优点，因此被用于众多场合，例如进行海洋生物考察、海底勘探等。

军事方面，由于在声纳上的表现形式仿生机器鱼和生物鱼类几乎相同，其所具有的噪声小、敌方不易发现等特点，可以进行很好的隐蔽，鉴于仿生机器鱼的这些优点，国内外诸多学者对仿生机器鱼的研究和开发越来越重视，研制出了许多新型的仿生机器鱼，取得了很多惊人的成果，设计出来的仿生机器鱼样机的种类也是多种多样的，为人类的发展和进步做出了突出的贡献。

（三）未来方向

海洋生物中的鱼类，数量巨大，千奇百怪，经过了数亿万年的进化，其所具有的游动能力是不同寻常的。鱼类通过借助身体使得周围的水动起来以此而获得推力，这种方式之所以使其具有很高的推进效率、机动性也好，是因为它能精确的控制涡流，研究人员在鱼类游动推进模式的启发下，可继续向研制高效低噪、灵活机动的仿生机器鱼的目标迈进，这样就可以解决在复杂的水下环境中进行作业困难的问题。

四、总结

作为新时代的莘莘学子，我们首先应具备良好的品质和学识，其次要与时俱进，不断充实自己，培养自己勤于思考、善于动手的良好学习习惯和生活习惯，最后我们要富有不断探索和思考的精神，去为自己的祖国、为这个世界、为地球上的人类做出自己应有的贡献。科研源于生活，同时又应用于我们的生活，我们要有敏锐的洞察力，细心的观察生活，不断提高自身素质，为以后的道路奠定坚实的基础。

参考文献：

[1] 童秉纲.鱼类波状游动的推进机制[J].2000（22）：69-71.

[2] 程健宇.水生动物的流体力学研究[D].中国科技大学博士论文，1988.

[3] 喻俊志，王硕，等.仿生机器鱼研究的进展分析[J].控制理论与应用，2003，20（4）：485-491.