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鲨鱼为什么游得快?岛津CT为您揭开谜题
发布时间:2020-12-01]  阅读次数:467次

曾经在国际游泳比赛中风靡一时的鲨鱼皮泳衣(快皮),是仿照鲨鱼皮的结构制作的高科技材料泳衣,穿上它能让人在水中游得更快。那么它是怎么被研发出来的呢?学者发现,鲨鱼皮的构造能够有效地降低流体阻力,所以鲨鱼的游速非常快。目前,各国学者仍在研究鲨鱼皮的构造,本文简单介绍鲨鱼皮的盾鳞在流体力学方面的研究。

 

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岛津制作所参与了东京工业大学联合日本国立博物馆对《降低流体阻力的课题》的研究。以下为研究内容的简介:

 

研究目的

验证鲨鱼身体各个部位盾鳞的表面小波纹结构是否能有效降低流体阻力。

 

试验方法

★ 对大白鲨盾鳞采集测量数据

★ 利用采集的数据建模

★ 利用建模数据,通过逆向工程制作实验用真实模型

★ 在流动水槽中使用制作的模型测量流体的阻力

 

工业CT主要应用于第一步。以下就本研究的数据采集和试验结论进行介绍。

 

数据采集

本次研究对象外观图:鲨鱼体表的盾鳞,如图1所示。

 

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图1 鲨鱼盾鳞的SEM图像

 

本课题的适应性

★ 取材的盾鳞在结构上的相异不妨碍身体的变形

★ 各种承受外力的可活动盾鳞的结构均可实现降低阻力的功能。

 

验证前的设问

★ 鲨鱼皮上的盾鳞是否真的能够有效降低阻力?

★ 盾鳞的形状和小波纹的间隔是否会阻挡局部液体的流动?

 

制样

首先,从大白鲨鱼身的5个不同部位各取1块表皮,使用微焦点CT SMX-100CT 对其进行扫描,采集数据并重建图像。如图2所示。

 

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图2 上排图片:盾鳞的CT图像(VR)下图:取样部位

 

其中,对所取盾鳞部位的定义,如图3所示。

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图3 使用三坐标扫描的鲨鱼全身图(总长3.16m)

 

(中间步骤省略)

试验的基本原理如下:

小波纹形状的评价方法:点参数S+


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uτ:摩擦系数 ν:海水动态粘度系数 ρ:海水的密度

 


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图4                          图5

 

小波纹结构:

S+=5~25时,有降低阻力的作用

S+=15~20时,降低阻力的效果达到最大

(Dean,2010)

 

利用模型测量的试验结果如下

★ 设定大白鲨的游泳速度为2【m/S】、6.7【m/S】(Watanabe et al .,2019)

对小波纹间隔进行测量的结果,如图6

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图6 对小波纹间隔测量的结果

 

测量可知,身体部分小波纹间隔:80~100μm;胸鳍或尾鳍的小波纹间隔:50~80μm。

★ 当大白鲨以2【m/S】的速度在岛屿之间移动时的S+值如图7

 

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图7 2【m/S】的速度时点参数S+的计算结果

 

★ 当大白鲨以6.7【m/S】的速度进行捕食时的S+值如图8

 

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图8 6.7【m/S】的速度时点参数S+的计算结果

 

(中间过程省略)

 

本试验的结论

★ 大白鲨盾鳞的小波纹的间隔显示其有降低阻力的效果

与2D小波纹的理论相比,所有部位的小波纹都有降低抵抗的效果

★ 当大白鲨以高速游泳进行捕食时,降低阻力的效果可能达到最大

★ 局部的流动显示表面存在小波纹间隔的原因

像尾鳍等盾鳞间隔较小的部位,表面小波纹也有降低阻力的效果

 

本试验的后继课题

★ 各部位盾鳞的形状是否与身体变形相对应

★ 研究各种承受外力的可活动盾鳞的结构对降低阻力的效果

 

岛津工业CT助力流体阻力研究


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岛津微焦点CT inspeXio SMX-100CT Plus


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