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鯊魚(yú)為什么游得快？島津CT為您揭開(kāi)謎題
曾經(jīng)在游泳比賽中風(fēng)靡一時(shí)的鯊魚(yú)皮泳衣(快皮)，是仿照鯊魚(yú)皮的結(jié)構(gòu)制作的高科技材料泳衣，穿上它能讓人在水中游得更快。那么它是怎么被研發(fā)出來(lái)的呢？學(xué)者發(fā)現(xiàn)，鯊魚(yú)皮的構(gòu)造能夠有效地降低流體阻力，所以鯊魚(yú)的游速非?？?。目前，各國(guó)學(xué)者仍在研究鯊魚(yú)皮的構(gòu)造，本文簡(jiǎn)單介紹鯊魚(yú)皮的盾鱗在流體力學(xué)方面的研究。
島津制作所參與了東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合日本國(guó)立博物館對(duì)《降低流體阻力的課題》的研究。以下為研究?jī)?nèi)容的簡(jiǎn)介：
研究目的
驗(yàn)證鯊魚(yú)身體各個(gè)部位盾鱗的表面小波紋結(jié)構(gòu)是否能有效降低流體阻力。
試驗(yàn)方法
★ 對(duì)大bai鯊盾鱗采集測(cè)量數(shù)據(jù)
★ 利用采集的數(shù)據(jù)建模
★ 利用建模數(shù)據(jù)，通過(guò)逆向工程制作實(shí)驗(yàn)用真實(shí)模型
★ 在流動(dòng)水槽中使用制作的模型測(cè)量流體的阻力
工業(yè)CT主要應(yīng)用于第1步。以下就本研究的數(shù)據(jù)采集和試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行介紹。
數(shù)據(jù)采集
本次研究對(duì)象外觀圖：鯊魚(yú)體表的盾鱗，如圖1所示。
圖1 鯊魚(yú)盾鱗的SEM圖像
本課題的適應(yīng)性
★ 取材的盾鱗在結(jié)構(gòu)上的相異不妨礙身體的變形
★ 各種承受外力的可活動(dòng)盾鱗的結(jié)構(gòu)均可實(shí)現(xiàn)降低阻力的功能。
驗(yàn)證前的設(shè)問(wèn)
★ 鯊魚(yú)皮上的盾鱗是否真的能夠有效降低阻力？
★ 盾鱗的形狀和小波紋的間隔是否會(huì)阻擋局部液體的流動(dòng)？
制樣
首先，從大bai鯊魚(yú)身的5個(gè)不同部位各取1塊表皮，使用微焦點(diǎn)CT SMX-100CT 對(duì)其進(jìn)行掃描，采集數(shù)據(jù)并重建圖像。如圖2所示。
圖2 上排圖片：盾鱗的CT圖像(VR)下圖：取樣部位
其中，對(duì)所取盾鱗部位的定義，如圖3所示。
圖3 使用三坐標(biāo)掃描的鯊魚(yú)全身圖(總長(zhǎng)3.16m)
(中間步驟省略)
試驗(yàn)的基本原理如下：
小波紋形狀的評(píng)價(jià)方法：點(diǎn)參數(shù)S+
uτ：摩擦系數(shù) ν：海水動(dòng)態(tài)粘度系數(shù) ρ：海水的密度
圖4 圖5
小波紋結(jié)構(gòu)：
S+=5~25時(shí)，有降低阻力的作用
S+=15~20時(shí)，降低阻力的效果達(dá)到大
(Dean，2010)
利用模型測(cè)量的試驗(yàn)結(jié)果如下
★ 設(shè)定大bai鯊的游泳速度為2【m/S】、6.7【m/S】(Watanabe et al .，2019)
對(duì)小波紋間隔進(jìn)行測(cè)量的結(jié)果，如圖6
圖6 對(duì)小波紋間隔測(cè)量的結(jié)果
測(cè)量可知，身體部分小波紋間隔：80~100μm；胸鰭或尾鰭的小波紋間隔：50~80μm。
★ 當(dāng)大bai鯊以2【m/S】的速度在島嶼之間移動(dòng)時(shí)的S+值如圖7
圖7 2【m/S】的速度時(shí)點(diǎn)參數(shù)S+的計(jì)算結(jié)果
★ 當(dāng)大bai鯊以6.7【m/S】的速度進(jìn)行捕食時(shí)的S+值如圖8
圖8 6.7【m/S】的速度時(shí)點(diǎn)參數(shù)S+的計(jì)算結(jié)果
(中間過(guò)程省略)
本試驗(yàn)的結(jié)論
★ 大bai鯊盾鱗的小波紋的間隔顯示其有降低阻力的效果
與2D小波紋的理論相比，所有部位的小波紋都有降低抵抗的效果
★ 當(dāng)大bai鯊以高速游泳進(jìn)行捕食時(shí)，降低阻力的效果可能達(dá)到大
★ 局部的流動(dòng)顯示表面存在小波紋間隔的原因
像尾鰭等盾鱗間隔較小的部位，表面小波紋也有降低阻力的效果
本試驗(yàn)的后繼課題
★ 各部位盾鱗的形狀是否與身體變形相對(duì)應(yīng)
★ 研究各種承受外力的可活動(dòng)盾鱗的結(jié)構(gòu)對(duì)降低阻力的效果
島津工業(yè)CT助力流體阻力研究
島津微焦點(diǎn)CT inspeXio SMX-100CT Plus
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