Слижевский Гидробионика в судостроении

особенности дельфины, которые помимо высоких скоростных ка- честв обладают рядом удивительных психофизических особенностей, таких, как умение слушать, издавать звуки различного характера, запоминать те или иные явления, а также доверчивым расположением к людям и легкостью, с которой подвергаются дрессировке. Гидродинамические исследования китообразных касались формы тела с точки зрения возможности использования ее особенностей при проектировании подводных лодок. Практическим результатом этих исследований явилась форма корпуса экспериментальной ПЛ "Albacore", спущенной на воду в 1953 году. В дальнейшем аналогич- ная форма нашла применение при проектировании как зарубежных, так и отечественных атомных ПЛ.

Систематические исследования особенностей плавания дельфинов были начаты в 1960 году, когда военным ведомством США было осуществлено финансирование научной программы, целью которой явились дрессировка дельфинов для использования их в каче- стве помощников в освоении океана, а также определение максимальной скорости их плавания. Первые наблюдения за дрессированными дельфинами подтвердили существующее мнение о том, что они способны двигаться с большими скоростями в течение длительного времени. В связи с этим была поставлена задача изучения механизма движения их тела и физиологических особенностей, которые обеспечивают высокоскоростные качества при сравнительно малых затратах энергии.

Уместно отметить, что впервые несоответствие между мускульной мощностью китообразных и достигаемыми скоростями было обнаружено еще в 1963 году известным английским зоологом проф. Д.Греем. Сопоставляя мощность, затрачиваемую на движение твердых тел, подобных телу дельфина, Д.Грей пришел к заключению, что при скорости 20 уз дельфин должен затрачивать мощность, которая почти в 10 раз превышает мощность его мускулатуры. Это несоответствие получило в дальнейшем наименование "парадокса Грея" или "эффекта Грея".

Одним из возможных объяснений этого парадокса явилось предположение, что дельфины, которые движутся со скоростями, соответствующими турбулентному режиму обтекания, обладают способностью ламинаризировать пограничный слой и что эту способность следует искать в особых свойствах кожного покрова, а также в мускульной и сосудистой системах дельфинов.

Биоэнергетические затраты животных и в том числе гидробионтов в настоящее время могут быть с достаточной степенью точности оценены по обмену веществ (метаболизму), с которым связаны все жизненные процессы. При этом учитывают реагирующие компоненты и их калорийность, прежде всего потребление кислорода. Рассматривая гидробионта в плавании как живую машину, среднюю мощность общего обмена N можно назвать физиологически располагаемой мощностью, которая химически высвобождается из субстраты организма посредством метаболизма. При этом гидродинамически эффективная мощность Ne = Rν , затрачиваемая на движение с постоянной скоростью υ0 (ãäå R –0 средняя сила сопротивления), связана с мощностью активного обмена Na следующим соотношением:

ãäå ηèä – идеальный гидродинамический КПД; ηì ≈ 0,2 – КПД мышц, который учитывает эффективность превращения биохимической энергии гидробионта в механическую энергию мышц Nì.

В свою очередь, согласно открытому еще в 1915 году Броуди принципу

ãäå N0 – средняя мощность основного обмена, затрачиваемая на деятельность гидробионта в состоянии покоя; k – коэффициент кратности, определяемый характером выполняемой животным работы, ее активностью и продолжительностью. При этом активная мощность Na млекопитающего может превышать основной обмен в k = 1,6; 4,8 и 25 раз (рис.2.1), в связи с чем

Как следует из рис.2.1, основной обмен у афалин соответствует таковому у человека (линия 1). Однако в возбужденном состоянии дельфинов (афалины и морской свиньи) их основной обмен превышает норму более чем в два раза (линия 1′).

Другим, не менее эффективным способом оценки биоэнергети- ческих затрат гидробионта, является их определение на основе обработки кинограмм прыжка из воды скоростных водных животных –

2.2. Сопротивление воды движению гидробионтов. Физические причины и явления, сопровождающие возникновение сопротивления

Тело гидробионта в общем случае совершает пространственное движение в безграничной вязкой жидкости. Независимо от характера движения за счет взаимодействия поверхности тела гидробионта с окружающей жидкостью в каждой точке этой поверхности возникает гидродинамическая реакция в виде поверхностных сил, напряженность которых

– орты внешней нормали и касательной в произвольной

точке А(x,y) поверхности гидробионта; p, τ – нормальное и касательное напряжения поверхностных сил гидродинамической реакции.

При этом главный вектор гидродинамических сил, действующих

Так как в идеальной жидкости проекция главного вектора сил давления на направление движения тела равна нулю (парадокс Да- ламбера–Эйлера), то за счет понижения давления в кормовой оконечности, обусловленного влиянием пограничного слоя, возникает сопротивление давления, именуемое сопротивлением формы,

Rp = − ∫ pcos( n0, x )dS .

S

Таким образом, сопротивление движению будет

R = RF + Rp

и может быть вычислено по следующей формуле:

где ρ – плотность воды; υ0 – скорость гидробионта; S – смоченная поверхность.

Входящий в (2.6) коэффициент сопротивления C = C(Re,Φ) для твердого тела, имеющего форму поверхности тела гидробионта и движущегося с постоянной скоростью в безграничной вязкой жидкости, является функцией числа Re = υ0L/ν и формы поверхности тела (Φ – семейство безразмерных геометрических параметров формы тела).

Соотношение между составляющими сопротивления RF è Rp зависит главным образом от формы поверхности тела. Так, для скоростных гидробионтов, имеющих удлиненную хорошо обтекаемую форму поверхности тела, главным и определяющим общее сопротивление является сопротивление трения RF. В свою очередь, сопротивление трения зависит от режима течения вязкой жидкости в пограничном слое – ламинарного (послойного) либо турбулентного (бурного течения), сопровождающегося переходом частиц жидкости из слоя в слой.

Характерный вид зависимости C(Re,Φ) в логарифмических координатах для хорошо обтекаемых твердых тел приведен на рис.2.4.

Анализ диаграммы (рис.2.4) позволяет выделить следующие три режима обтекания твердого тела:

первый при Re ≤ Re íêð ( Re íêð – нижнее критическое значение числа Re, при котором наблюдается переход турбулентного режима обтекания в ламинарный). В этом диапазоне чисел Re наблюдается устойчивый ламинарный режим обтекания, характеризуемый относительно малым по сравнению с турбулентным режимом коэффициентом сопротивления;

второй при Re íêð ≤ Re ≤ Re âêð . В этом диапазоне чисел Re наблюдается неустойчивый режим обтекания, когда в носовой оконечности возникает ламинарный участок, длина которого уменьшается с увеличением числа Re;

третий при Re ≥ Re âêð ( Re âêð – верхнее критическое значение чис-

ла Re, при котором наблюдается переход ламинарного режима обтекания в турбулентный). В этом диапазоне по всей поверхности твердого тела наблюдается турбулентный режим обтекания, характеризуемый относительно большим по сравнению с ламинарным режимом коэффициентом сопротивления.

Для скоростных рыб и китообразных числа Рейнольдса составляют Re = 106…108, что для твердых тел соответствует турбулентному режиму обтекания и, соответственно, относительно большим зна- чениям коэффициента сопротивления. Однако биоэнергетические расчеты показывают, что сопротивление гидробионтов значительно ниже и одной из главных причин этого является ламинаризация пограничного слоя у активно плавающих гидробионтов, связанная с увеличением длины ламинарного участка и существенным (в несколько раз) снижением коэффициента сопротивления.

Анализ гидробионических особенностей функционально-морфо- логических свойств и кинематики движения китообразных и скоростных рыб позволяет рассматривать в качестве возможных следующие способы ламинаризации пограничного слоя у гидробионтов:

наличие ламинаризованной формы тела; гашение турбулентной пульсации в пограничном слое за счет

упругодемпфирующих свойств кожного покрова гидробионтов; выделение в пограничный слой гидробионта биологической слизи; нестационарный характер движения гидробионта.

2.3. Ламинаризованная форма тела скоростных китообразных и скоростных рыб

Естественное в процессе эволюции развитие ламинаризованной формы тела гидробионтов и искусственное в процессе создания ламинаризованных профилей крыльев и средств движения в воде связаны с устойчивостью ламинарного пограничного слоя, формируемого на поверхности этих тел при движении в вязкой жидкости. Ламинарный пограничный слой считается устойчивым, если возникающие в нем местные возмущения поля скоростей и давлений с тече- нием времени затухают после прекращения воздействия причин, вызвавших эти возмущения. В противном случае происходит потеря устойчивости ламинарного режима течения и его переход в турбулентный.

ГЛАВА 2 !'

соответственнно слабой устойчивостью по отношению к попереч- ным возмущениям.

Отсюда следует, что при обтекании тела положение точки минимума давления (наиболее широкая часть) оказывает определяющее влияние на положение точки перехода ламинарного в турбулентный режим течения в пограничном слое. В грубом приближении можно считать, что точка перехода расположения намного ниже по течению, чем точка минимума давления.

Это служит физической основой для создания ламинаризованной формы тела. У таких тел наиболее широкая часть в зависимости от относительной скорости, характеризуемой числом Re = υL/ν и соответствующей переходному режиму обтекания Re íêð ≤ Re ≤ Re âêð , находится на определенном расстоянии от носика тела. Благодаря этому пограничный слой, формируемый при обтекании тела потоком вязкой жидкости, сохраняется ламинарным на значительно большем протяжении, чем у обычных тел, что приводит к существенно-

кой части тела гидробионта увеличивается. При этом происходит трансформация формы носа: для относительно малых чисел нос имеет полную эллиптическую форму, с увеличением Re профиль носа приобретает более заостренную параболическую форму. Так, например, для форели (Re = 1,2 106) с достаточно полной эллиптической

формой носа xmax /L = 0,30, в то время как для тунца (Re = = 3,8 107) с заостренной параболической формой носа xmax /L = 0,50. Дельфи-

íû (Re = 2 107), представляющие наибольший интерес в качестве биологического аналога при создании технических средств движения в воде, имеют заостренную форму носа и xmax /L = 0,40.

Весьма эффективным современным средством изучения картины обтекания движущегося тела является метод визуализации с помощью микроскопических люминесцирующих одноклеточных водорослей. Это явление было известно еще древним грекам, наблюдавших за стаей дельфинов, резвящихся в светящемся море.

В дальнейшем было установлено, что свечение водорослей возникает в вязких потоках, если вязкие напряжения в потоке превышают 0,1 Па. На модели дельфина, плывущего со скоростью 2 м/с, было подтверждено, что в пределах пограничного слоя вязкие напряжения превышают указанное значение, сравниваясь с ним на внешней границе. Вот почему за пределами пограничного слоя водоросли не светятся и при движении дельфина можно заметить четко очерченную полосу пограничного слоя. Эти наблюдения, кроме того, позволили обнаружить, что голова дельфина омывается плавными струями ламинарного течения. Последнее, в свою очередь, подтверждает наличие ламинарного участка при обтекании тела дельфина.

Исследования немецких и американских ученых в области гидробионики позволили создать целую группу хорошо обтекаемых и так называемых ламинаризованных профилей, которые получили принятое в США наименование – профили NACA. Так, например, серия профилей NACA 63 близка к форме тела форели, серия NACA 66 разработана в результате изучения формы тела дельфина, а серия NACA 67 – изучения формы тела тунца. Разнообразие форм профилей в пределах одной серии достигается варьированием максимальной толщины профиля. Так, например, два профиля NACA 66 (NACA 66-018 и NACA 66-033) имеют относительную толщину 18 и 33 % соответственно.