Слижевский Гидробионика в судостроении

Таблица 2. Функционально-морфологические свойства и гидродинамические аспекты движения гидробионтов

Ðûáû

Китовидные

Головоногие мол-

люски

Характе-

Угревидные

Скомброидные

Дельфины

Êèòû

Морская свинья,

Горбатый,

ристики

Карповые, окуневые,

Кальмары,

Угри, сарганы,

белуха, белобоч-

серый, поло-

осетровые, лососевые,

каракатицы

сабля-рыба

акуловые и т.д.

ка, афалина, ко-

сатики, сей-

сатка

âàë

Форма тела

Тело вращения

Òåëî

â âèäå

крыла

ñ

Форма тела близка

ê òåëó âðà-

У кальмаров тело

большого относи-

удлинением

0,1…0,2

щения; у высокоскоростных

вращения с заост-

тельного удлине-

или тело вращения

ñ

дельфиов хорошо обтекаемая, с

ренным концом и

ния (20 и более)

удлинением 2…10

ламинаризованным профилем и

относительным

относительным удлинением

удлинением (4…7)

(4…7)

Поверхность

Чешуйчатая, шеро-

Чешуйчатая,

шерохо-

Гладкая поверхность,

у китов

Поверхность глад-

òåëà

ховатая поверх-

ватая поверхность, по-

шероховатая,

демпфирующий

кая и растяжимая

ность, покрытая

крытая слизью; у быст-

кожный покров

сложной яче-

слизью; у быстрых

ðûõ

рыб поверхность

истой структуры

рыб поверхность

гладкая (без чешуи)

гладкая; у змей

мелкая чешуя без

следов слизи

Тип движи-

Упор создается ко-

Óïîð

создается

êîëå-

Движителем является кормовая

Реактивный, пери-

òåëÿ è ïðå-

лебательными дви-

бательными

движени-

часть тела и

горизонтальный

одически

выбра-

имуществен-

жениями всего тела

ÿìè

кормовой

части

хвостовой плавник;

основной

сывается струя во-

ный маневр

и иногда верти-

òåëà

и вертикальным

маневр – движение в вертикаль-

ды; обладают вы-

кальным хвосто-

хвостовым плавником;

ной плоскости

сокой маневренно-

âûì

плавником,

перемещение

рывками

ñòüþ â

горизон-

перемещается, из-

и рысканием,

преиму-

тальной

и верти-

виваясь в горизон-

щественно в горизон-

кальной

плоско-

тальной плоскости

тальной плоскости

ñòÿõ

ВВЕДЕНИЕ

Продолж. табл.2

Ðûáû

Китовидные

Головоногие мол-

люски

Характе-

Угревидные

Скомброидные

Дельфины

Êèòû

Морская свинья,

Горбатый,

ристики

Карповые, окуневые,

Кальмары,

Угри, сарганы,

белуха, белобоч-

серый, поло-

осетровые, лососевые,

каракатицы

сабля-рыба

акуловые и т.д.

ка, афалина, ко-

сатики, сей-

сатка

âàë

Внешние

îð-

Веерообразные ста-

Складные веерообраз-

Вертикальный спинной плав-

Поворотное

ñîï-

ãàíû

стаби-

билизаторы, небо-

ные стабилизаторы,

ник-стабилизатор, изгибающий-

ло, которое распо-

лизации

льшие подвижные

подвижные спинные,

ся двухлопастной хвостовой

лагается под

ðàç-

брюшные плавники

брюшные и анальные

плавник-руль, парные веслооб-

личными углами к

плавники различного

разные боковые плавники; все

îñè òåëà, êèëè íà

назначения, убираю-

они ламинаризованного профи-

щупальцах, ромбо-

щиеся стреловидные

ля и стреловидной формы, с ма-

видные плавники

боковые плавники,

лым профильным и индуктив-

хвостовые костистые

ным сопротивлением

êèëè

Основные

Высокие пропуль-

Эффективность неста-

Демпфирующая

способность

Импульсная схема

гидродина-

сивные

качества

ционарного периоди-

кожного покрова китообразных

движения; система

мические

õà-

движительного

чески повторяющегося

и возможность

ламинаризации

водопроводящих

рактери-

комплекса

ускоренно-замедлен-

пограничного

ñëîÿ.

Регулиру-

отверстий и сопл

стики

ного движения рыб и

емый гидроупругий

эффект

высокие пропульсив-

плавников у всех китообразных

ные качества их дви-

жительного комплекса

Возможно-

Гидродинамическая сила сопротивления движению и ее составляющие. Органы и приемы

ñòè

исполь-

управления движением у водных обитателей. Возможные методы повышения ходкости и манев-

зования

â

ренности технических средств движения в воде

технике

СУДОСТРОЕНИИ В ГИДРОБИОНИКА

ГЛАВА 1	13

Глава 1. ФУНКЦИОНАЛЬНО- МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КИНЕМАТИКА НЕСТАЦИОНАРНОГО ПЛАВАНИЯ КИТООБРАЗНЫХ И СКОРОСТНЫХ РЫБ

В этой главе изучаются геометрическая форма тела и плавников крупных гидробионтов, главным образом китообразных (киты и дельфины) и скоростных рыб, особенности строения их кожного покрова, принципы организации и функционирования которых представляют большой практический интерес в прикладных вопросах судостроения и океанотехники, а также кинематика нестационарного плавания гидробионтов. Этот раздел в бионике получил наименование морфологии животных – учения о форме и строении животных в их эволюционном развитии.

1.1. Особенности формы тела эффективно плавающих китообразных

Китообразные – самые крупные и скоростные млекопитающие высокого уровня развития, изучаемые в гидробионике. Они встре- чаются во всех морях и океанах, всю жизнь проводят в воде, но дышат воздухом, для чего периодически вcплывают на поверхность воды. Они также могут погружаться на большие глубины (дельфины – до 300 м, киты – до 1500 м). В связи с отмеченными функциональными особенностями (движение в широком диапазоне глубин) форма тела и плавников китообразных отличается от скоростных рыб, которые перемещаются в узком диапазоне глубин.

Для нагула жира и размножения китообразные совершают продолжительные миграции, протяженность которых достигает нескольких тысяч километров. Учитывая также высокую максимальную скорость (υmax ≈ 15 м/с для кита сейвала) и массу китообразных (дельфины – до 1000 кг и киты – до 100000 кг), следует отметить их высокие биоэнергетические возможности.

В настоящее время отечественными и зарубежными учеными наиболее обстоятельно изучены особенности морфологии промыс-

14	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

ловых видов дельфинов (афалина, белобочка, морская свинья, белуха) и китов (кашалот, финвал, синий (рис.1.1).

à

á

Рис.1.1. Обыкновенный дельфин-белобочка:

а – вид сзади; б – боковой вид

Внешний вид китообразных свидетельствует о том, что они хорошо приспособлены к активному плаванию в водной среде. Тело их обтекаемой формы, вытянутое, эллиптического сечения и cужается в продольном направлении от груди к хвосту. Шея очень короткая

èпрактически не разграничивает голову и туловище. Хвостовой стебель сжат с боков и часто имеет сверху и снизу явно выраженные кили, что гидродинамически целесообразно при машущих движениях в вертикальной плоскости стебля с горизонтально расположенным машущим плавником.

Кожа тела и плавников китообразных гладкая, на ней нет волос

èслизистых выделений; лишь у тихоходных кожа обрастает паразитами и становится шероховатой. Все китообразные имеют демпфирующий кожный покров сложной структуры, наличие которого позволяет значительным образом снизить сопротивление воды движению. Так, у дельфинов кожа состоит из нескольких более или менее выраженных слоев, между которыми расположены соединительные мембраны, являющиеся каркасом кожного покрова. Толщина кожи у дельфинов на порядок больше, чем у наиболее крупных костистых

èакуловых рыб.

Отметим особенности строения головной части китообразных. Шея у них очень короткая и практически не разграничивает голову и туловище. Обыкновенный дельфин-белобочка и продельфин, которых относят к наиболее быстроходным морским животным, име-

ГЛАВА 1	15

ют длинный узкий рострум*) и сильно выделяющийся клюв. Морские свиньи и крупные белухи лишены выступающего рострума, клюв у них отсутствует. Наличие у дельфинов вытянутого рострума

èклюва объясняется в основном биологическими причинами (штуч- ный захват) и определенным образом влияет на его гидродинами- ческое сопротивление.

Зубатый кит-кашалот с очень крупной головой – один из самых тихоходных китообразных – ныряет за крупными кальмарами на глубину до 1500 м.

Дельфины почти всех скоростных видов – хорошие прыгуны (рис.1.2). Они выпрыгивают из воды на несколько метров. Так, например, длинномордый продельфин, выпрыгивая из воды, вращается в воздухе

èделает до двух с половиной обо-

ротов вокруг своей продольной оси.
Выпрыгивают также и тихоходные
горбатые киты. Морская свинья и
белуха из воды не выпрыгивают.
Теоретические и эксперимен-
тальные исследования свидетель-
ствуют о том, что для стационарно	Рис.1.2. Крупнейший скоростной
движущихся в реальной жидкости	дельфин-косатка выпрыгивает из
твердых тел не существует универ-	âîäû

сальной оптимальной формы поверхности, соответствующей минимальному сопротивлению движения. Каждому диапазону чисел Re и характеру движения отвечает своя оптимальная форма. В этой связи рассмотрим особенность выработанной в процессе длительной эволюции формы тела китообразных, нестационарно плавающих при Re ≈ 107…108. Количественная информация о некоторых хорошо изученных видах китообразных приведена в табл.1.1, а более подробная информация о характеристиках черноморских дельфинов –

âòàáë.1.2.

Âтабл.1.1 приведены максимальная Lm и зоологическая L длина китообразных, измеряемая от кончика носа до развилки хвостового плавника; H – максимальная высота; xmax – относительное от-

*) Рострум – передняя часть мозгового черепа.

Таблица 1.1. Сравнительная гидродинамическая оценка некоторых видов китообразных

		Длина, м						Относительные размеры							Максимальная
															скорость
							òåëà				плавников
Âèäû
		макси-									Размах		Высота							Число
дельфинов				средняя							хвосто-		ñïèí-		абсолют-	относи-
		мальная				L/H			xmax/L											Re×10-6
и китов		Lm		L							âîãî		íîãî		íàÿ,	тельная,
											плавника		плавника		K , ì/ñ	v	ì	/L, ñ–1
															ì
											H/L		h/L
									Дельфины
Обыкновенный –
белобочка		2,6		1,6		5,3			0,42		0,24		0,10		13,2			8,2		16
Афалина		3,6		2,3		5,1			0,40		0,23		0,09		12,5			5,4		22
Гриндя		6,0		4,0		5,2			0,38		0,23		0,07		11,3			2,8		35
Косатка		10,0		6,0		–			–		0,28		0,16		13,4			2,2		62
Бесперая морская
свинья		1,6		1,2		4,5			0,40		0,26		0		6,8			5,2		6,3
Морская свинья		1,8		1,4		4,8			0,38		0,24		0,06		8,6			6,1		9,2
Белокрылая
морская свинья		2,1		1,7		5,0			0,40		0,24		0,08		10,4			6,1		13
Белуха		6,0		4,5		4,3			0,40		0,24		0		6,1		1,35			21
							Êèòû
Сейвал		18,0		15		5,8			0,38		0,25		0,035		15,3		1,02			180
Финвал		24,0		20		6,2			0,41		0,21		0,025		13,0		0,65			200
Синий		30,0		24		6,3			0,43		0,22		0,013		15,0		0,63			280
Кашалот		20,0		15		5,2			0,31		0,28		0,025		7,2		0,48			83
Горбатый		18,0		12,5		4,5			–		–		0,022		7,5		0,60			72
Серый		15,0		12		4,9			0,32		0,26		0		7,0		0,58			65

$

СУДОСТРОЕНИИ В ГИДРОБИОНИКА

Таблица 1.2. Безразмерные геометрические характеристики черноморских дельфинов
Характеристики						Относительные значения
					Белобочка		Афалина	Морская свинья
Длина выступающего рострума Lp/Lê					0,092		0,050	0
Длина хвостового плавника lõ.ï/Lê					0,110		0,104	0,130
Наибольшая высота корпуса без спинного плавника H/Lä					0,215		0,209	0,176
Наибольшая ширина корпуса В/Lä					0,191		0,175	0,160
Отстояние наибольшей ширины от кончика носа xmax /Lä					0,426		0,410	0,404
Степень эллиптичности корпуса B/H					0,89		0,84	0,91
Относительное удлинение корпуса Lê/B					5,23		5,00	5,04
Площадь плавника:
хвостового Sõ.ï / Lê2					0,0115		0,0257	0,0210
спинного Sñ.ï / Lê2					0,0085		0,0113	0,0068		1 ГЛАВА
грудного Sã.ï / Lê2					0,0076		0,0075	0,0096
Общая площадь смоченной поверхности корпуса с					0,432		0,520	0,445
рострумом W/L2
Коэффициент общей полноты d =			W		0,346		0,540	0,568
			L ä BH
Коэффициент формы h =	W 2 / 3				0,154		0,150	0,142
	W
										%

xmax

18	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

стояние наибольшего сечения от носика тела; l/L – относительный размах хвостового плавника и h/L – относительная высота спинного плавника.

 òàáë.1.2: Lê – длина корпуса без рострума и хвостового плавника; Lä – общая длина тела дельфина.

Анализируя данные обмера, можно отметить следующие особенности тела китообразных, числа Рейнольдса для которых составля-

þò Re = υL = 107 ...108. У всех дельфинов и китов обводы тела в вер-

ν

тикальной диаметральной плоскости имеют несимметричную форму с несколько искривленной средней линией и симметричную – в горизонтальной плоскости. Форма шпангоутов непрерывно изменяется от носа к хвосту; цилиндрическая вставка отсутствует. Скоростные дельфины имеют шпангоуты, близкие к эллипсу; степень эллиптичности B/H = 0,84...0,91. Наибольшие отклонения формы шпангоутов от эллипса наблюдаются на носовом и хвостовом килеватом участках.

Относительное расстояние наибольшего сечения от носа тела

= 0,40 при относительном удлинении L/B = 5,0. Скоростные дельфины имеют ламинаризованную форму тела. Обобщенный ко-

эффициент формы черноморских дельфинов η = W 2 /3	= 0,15 – ýòî
Ω

несколько выше, чем для тел торпедообразной формы, что гидродинамически целесообразно для достижения максимально возможного объема при относительно малом гидродинамическом сопротивлении.

Все плавники китообразных: машущий горизонтально расположенный хвостовой, неподвижный спинной и подвижные парные грудные однолопастные плавники – представляют собой сплошные упругие крылья с криволинейным очертанием передней и задней кромок (рис.1.3).

Расположенный в конце стебля хвостовой плавник играет роль машущего движителя и имеет дельтовидную форму со средней выемкой на задней кромке, которая разделяет его на две лопасти – левую и правую. Грудные подвижные плавники – веслообразного вида и являются рулями глубины.

Вертикальный спинной плавник, играющий роль стабилизатора при плавании в горизонтальной плоскости, имеется у большин-

ГЛАВА 1	19

ства китообразных. Он отсутствует у скоростного северного китовидного дельфина, большой морской свиньи и крупной белухи. Можно полагать, что отсутствие спинного плавника, например, у китовидного дельфина компенсируется хорошо выраженными верхним и нижним килями на хвостовом стебле.

Рис.1.3. Формы тела и плавников дельфина

Гидродинамический анализ поперечного сечения плавников китообразных позволяет сделать вывод, что профили сечения совпадают с известными в аэродинамике профилями НЕЖ и NASА. Так, например, профиль сечения морской свиньи совпадает с профилем NАSА, который имеет максимальную относительную толщину 19,6 %, отстоящей от передней кромки на расстоянии 35 % длины хорды.

Большое значение имеют относительные размеры у плавников êитообразных. Так, относительный размах хвостового плавника l = l / L составляет l = 0,24...0,27 и уменьшается с ростом числа Re = υL ν . Исключение составляют быстроходные косатки и тихоходные киты – серый и кашалот, у которых относительный размах заметно выше и достигает 0,26…0,29, что объясняет большую маневренность глубоко ныряющих косаток и кашалотов. Важно отметить, что у всех дельфинов и китов размах хвостового плавника превышает наибольшую ширину тела, т.е. хвостовой плавник выступает за габариты тела.

Анализ расчетных данных профилей плавников китообразных показал, что они даже при плавании вблизи свободной поверхности

20	ГИДРОБИОНИКА В СУДОСТРОЕНИИ

не кавитируют, так как углы атаки их при высоких скоростях не превышают 3…4 град. Вполне понятно, что в этих условиях кавитация не возникает. В противном случае она вызвала бы болевые ощущения у животных.

1.2. Особенности формы тела и плавников у скоростных рыб

Форма тела и плавников рыб выработаны в процессе эволюционного приспособления к условиям плавания в водной среде в тече- ние нескольких миллионов лет. У многих видов рыб нестационарным движителем является не только вертикальный машущий плавник, но и упругое тело с цикличным изменением его формы. Более того, основным движителем угревидных рыб является их тело, на котором, начиная с головы, зарождается пропульсивная волна, создающая движущую силу.

Среди большого многообразия видов рыб наибольший интерес в гидробионике представляют скоростные рыбы (тунцовые и акуловые, а также группа ксифиоидных: меч-рыба, копьеносцы, марлины и парусники) с максимальной относительной скоростью υ max L > 10. Биологический принцип построения и функционирования этих рыб может быть использован для совершенствования существующих и создания новых технических средств движения в воде. Наиболее интересными с этой точки зрения являются следующие признаки скоростных рыб.

Хорошо обтекаемое и симметричное относительно вертикальной диаметральной плоскости (ДП) тело с овальной формой шпангоутов, трансформирующихся от вертикального овала за головой рыбы до горизонтального – в районе хвостового стебля. Характерными признаками являются: плавные очертания тела, которые как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях соответствуют ламинаризованному профилю; наибольшее сечение отстоит от кончика носа на расстоянии xmax L > 0,35 ; относительные размеры для скоростных рыб находятся в следующих пределах: L/H = 3,5...7,0; B/H = 0,56...0,77. В этой связи, например, тунец, обладающий коротким толстым телом и негибким позвоночным столбом, приспособлен к высокочастотным и с малой амплитудой машущим колебаниям тела. В то время как ваху, относящаяся к группе костистых рыб, имеет длинное тонкое тело, приспособлена к изгибным низко-