海豚VS鲨鱼,谁是真正的减阻大师?

|· 本文来自“我是科学家”·|

 “阻力”出没在我们生活的各个角落里,时常会给人们添些麻烦。任何涉及到空气、水等流体的运动都会遇到摩擦阻力的问题:小到影响游泳比赛中选手的发挥,大到给设计制造汽车、高铁、船舶、飞行器等交通工具及流体输送管道等带来挑战。

长久以来,人们绞尽脑汁,通过学习各种流体力学理论知识,总结工程上的经验,尽一切努力来降低流动阻力。

有人想到,大自然中那些经历了千万年洗礼的生物,经过漫长的自然选择选择,逐渐掌握了适应环境的各种窍门,我们直接向它们学习,也许可以少走很多弯路?

格雷的错误判断

1936年,英国生物学家格雷根据海豚的生理学特性,对海豚能够产生的力量进行了估算并得到了一个惊人的发现——海豚游动时理论上消耗的能量是它实际摄食所获得能量的7倍!

因此,他推断海豚的皮肤一定具有特殊的抗阻力特性,这随即引发了人们对大型海洋动物表皮结构的大范围深入的研究。

海豚的皮肤具有特殊抗阻能力?图片来源:来自Pixbay

直到70多年后的2008年,美国科学家团队录制了两只海豚游动的过程。他们采用PIV(Particle Image Velocimetry,粒子图像测速法)与力测量工具结合的水流诊断平台,测量得出:海豚自身所产生的力实际上远比格雷想象的大得多。由此才终于证明,格雷其实极度夸大了海豚皮肤的减阻性能。

中科院-工程热物理所的PIV测量设备。图片拍摄:张子良

左图是普通摄像机拍摄的图片,右图是经过PIV处理后的图片,箭头表示水流移动的方向,颜色表示速度的大小,颜色越深速度越大,红色和深蓝色箭头表示最快速移动的水。图片来源:Rensselaer / Tim Wei

粗糙皮肤也暗藏玄机

光滑皮肤的阻力小,似乎是无需置疑的常识。所以,科学家们就沿着“表面越光滑,流动阻力越小”的道路缓慢前进。

一个偶然的机会,他们发现同为大型水生动物的鲨鱼,皮肤异常粗糙,游起泳来却不费力气,莫非粗糙的皮肤中也暗藏玄机?

借助显微镜的视角,人们看到,鲨鱼皮的表面由一层呈菱形排列的盾鳞所覆盖,这些细小锋利的盾鳞只有微米尺度大小。表面有宽度约50μm的顺流向棘突构成的沟槽。

20世纪70年代,NASA兰利研究中心的研究人员发现,流向的微小突起表面能有效地降低摩擦阻力。同时,具有一定尺度的刀刃型突起,是最佳的减阻形状。这些特征与鲨鱼盾鳞V型沟槽正好相符,不得不说,鲨鱼鳞片这种看似“不科学”的设计,其实暗藏科学原理。

这种沟槽结构,除了可以保护鲨鱼免于受伤或者被寄生,还使流动时的边界层保持稳定,减小鲨鱼快速游动时表面的摩擦阻力,让它们游得更快。

海洋里的冷血杀手鲨鱼。来自Pixabay

通过扫描电子显微镜观察到的鲨鱼皮肤上的盾鳞 图片来源:Pascal Deynat/Odontobase

仿生鲨鱼皮需要“杀鲨取皮”吗?

这一发现,彻底打破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式,类似鲨鱼盾鳞这种有纵向沟槽、形似肋条的表面产生的减阻效果——即“肋条减阻”,成为了湍流减阻技术中的研究焦点。

虽然肋条减阻的原因及详细的内部机理目前还没有得出一个统的结论。但人们通过对鲨鱼微鳞片进行抽象、放大和简化仿形加工出了粗糙的仿生鲨鱼皮,已经实现了一定的减阻率。

仿生鲨鱼皮最直接的应用当属鲨鱼皮泳衣。据统计,曾经在1个月内产生的16项游泳赛事新的世界纪录中,有14项都是由穿着鲨鱼皮泳衣的运动员所创造的,从某种程度上也可以反映出鲨鱼皮泳衣的非凡功力了。

鲨鱼皮泳衣图片。来自某产品的宣传图

不过,制作这些泳衣并不需要去“弑鲨取皮”,而是通过“仿生”来实现减阻效果。其核心技术在于使用超伸展的聚合物纤维材料来仿造鲨鱼的皮肤,从而降低摩擦系数。

这样的仿生是如何实现的呢?原来,我们看到的只是鲨鱼皮和泳衣这两个具体的事物,而资深的流体力学工程师早已洞察这其中的本质,二者在他们视角中不过是两个抽象的“三角形”。只需要通过流体力学中的“三角形相似准则”,使泳衣和鲨鱼皮相似,这样即使不用穿真正的鲨鱼皮制成的泳衣,也同样可以具备鲨鱼皮类似的减阻性能。

三角形相似。图片来源:http://anthonysnyder.weebly.com

这个“相似准则”背后的机理,就是通过控制二者某几个关键参数间的比例关系,在两个看似独立的事物之间建立起千丝万缕的联系。通过不断试验、对比和改进,最终得到的一个与鲨鱼皮在减阻效果无限接近的“复制品”,从而实现仿生鲨鱼皮泳衣的设计。

令人头疼的摩擦阻力,与仿生鲨鱼皮的未来

不过,为避免游泳比赛变成新材料泳衣的产品竞技场,国际泳联决定于2010年5月之前全球禁用高科技泳衣。

抛开鲨鱼皮泳衣,我们如果可以把鲨鱼皮减阻技术应用在各个领域,也可以成为实现低碳经济和节能减排的重要途径。

近期,德国研究所的工程师研制出一种仿鲨鱼皮的表面涂层,将其铺设在一台风电机的叶片上进行测试,证实这种涂层可将叶片的升阻比提高30%以上(升阻比是飞行器升力与阻力之比,升阻比越高,其空气动力性能越好)。这种涂层不仅不会增加叶片的重量,还可以提高发电效率,每年估计可将一台风力发电机的电能输出量提高5%至6

夕阳下的风力发电机组。图片来源:来自于Pixabay

但是,仿生并不是完全模仿,最为关键的是要了解其中的机理,对其转化吸收,才能得到更为理想的效果。或许,在减阻的过程中,人们还有许多未知的道路需要去探索。(编辑:Yuki)

参考文献:

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Gray%27s_paradox
  2. https://en.wikipedia.org/wiki/Particle_image_velocimetry
  3. Direct numerical simulation of sharkskin denticles in turbulent channel flow 
  4. ‘Gray’s Paradox’ Solved: Researchers Discover Secret Of Speedy Dolphins

作者名片

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注