鱼类进化成流线型而非球形的原理姓名：大连理工大学背景：在动植物的进化过程中，自然往往会选择在竞争中最具有优势的生物特征，鱼类在漫长的进化中大部分进化 成了流线型而非球星，说明流行型能让鱼类更好的适应环境 下面将比较分析流线型比球型带来的更多的好处。流体力学分析：摩擦阻力与压差阻力物体在水中的绕流运动大致分为以下几种：(1) 物体运动，流体静止，比如鱼类在海中遨游；(2) 物体静止，流体运动，比如激流冲击桥墩；(3) 物体与流体均存在运动，比如船只逆流而上或顺流 而下等等。但不管是哪种运动，为方便研究，均可归结为一 种绕流模型-即物体静止，外部来流以一定的速度绕物体流 动本文的研究对象为物体的水下行进，此种情况下物体受到 的阻力分为两种：摩擦阻力及压差阻力，后者在有的文献中 亦被称为形体阻力。其中，摩擦阻力是由于流体的粘性引起 的，使紧贴绕流物体表面产生边界层，在边界层厚度范围内， 绕流流体速度由紧贴物体壁面的 0 急剧增加到外流流速 V0 因而物体表面存在较大的摩擦切应力，此切应力在来流方向 的积累就宏观表现为摩擦阻力；另一方面，物体与流体存在 相对运动时，其周围流场的物理量即会发生扰动，物体表面 压力分布的对称性即被破坏，随着雷诺数 Re 的增加，这种 压力分布失衡也就越剧烈，具体表现为来流一侧的压力升高 去流一侧的压力降低，压力失衡导致绕流物体来流段与去流 段在物体行进方向上存在压力差，并且这一压力差总是阻碍 物体运动，即为压差阻力 。我们主要研究压差阻力对于鱼类游动的影响：沖WakeFig. 2.14 Qualitative picture of incompressible flaw over a sphere.k Inviscid flow Viscous Howseparation物体形状对压差阻力也有很大的作用。把一块圆形的平 板，垂直地放在气流中。流经它的气流会很快发生分离，分 离点后产生大量的涡流，使平板前后形成很大的压差阻力。 如果在圆形平板的前面加上一个圆锥体，它的迎风面积并没 有改变，但形状却变了。平板前面的高压区，这时被圆锥体 填满了。气流可以平滑地流过，压强不会急剧升高，同时， 气流的分离点向后移动，使木板后的涡流区变小。虽然这时 平板后面仍有气流分离，低压区仍然存在，但是前后的压强 差却大为减少，因而压差阻力必然会降低到原来平板压差阻 力的大约五分之一。Boundary largerWakePoint ofseparationFig. 2.16 Flow over astreamlined object.如果在平板后面再加上一个细长的圆锥体，把充满旋涡 的低压区也填满，气流分离点出现的更晚，使得物体后面只出现很少的旋涡，那么实验证明压差阻力将会进一步降低到 原来平板的大约二十到二十五分之象这样前端圆纯、后面尖 细，象水滴或雨点似的物体，叫做“流线型物体”，简称“流 线体”。在迎风面积相同的条件下，它的压差阻力最小。这 时阻力的大部分是摩擦阻力。除了物体的迎风面积和形状外, 物体在气流中的位置也影响到压差阻力的大小。结论：流线型比球型所承受的阻力更小，鱼类能在水中 更快速的动作。Fluid Mechanics