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鸟类飞行与游动的流体力学

责任编辑：沐小月时间：2022-08-23 来源：转载于：中国科学院编《流体动力学》节选

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时间：2022-08-23 来源：转载于：中国科学院编《流体动力学》节选

分类：技术分享

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动物外部表面在流体中运动时产生气动力或水动力的规律。昆虫、鸟和兽（蝙蝠）的飞行，以及鱼类和哺乳类（鲸、海豚等）的游动，是由作用于其上的气动力或水动力所决定的。匀速飞行或游动时，作用于动物的气动力或水动力决定了其运动速度和所需的能耗；运动受到扰动时或动物希望做机动运动时，气动力或水动力随时间的变化特性决定了运动的稳定性和机动性。运动速度的快慢、运动效率和持久性及运动的机动性与攫取食物、逃避敌害、追求配偶等生存需要密切相关。因而，了解动物外部表面产生气动力和水动力的机制和规律，是研究相关动物的比较生理学、行为学、生态学及进化的基础。这些机制和规律也可为发展新型飞行器和水下航行器提供仿生学指导。

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鸟类飞行时产生升力以托举其重量，产生推力以克服身体各部分阻力。可能是因为鸟的尺寸较大从而翅膀运动雷诺数较大及拍动频率较低，人们一般认为鸟产生升力的机制与飞机类似，即鸟翼是用传统的空气动力学原理产生升力和阻力的（这里“传统空气动力学”指定常、附着流的空气动力学）。这样，广泛用于飞机机翼、直升机旋翼和飞机螺旋桨的，基于叶素理论和动量定理的准定常方法，就可以用来计算鸟类的升力、阻力和能耗了。这些观点反映在早期的一些专著中。反过来说，如果用叶素理论和动量定理计算出的升力能平衡鸟的重量，也就从一个侧面证明了上述有关鸟类用传统空气动力学原理产生气动力的猜想。但是，要利用叶素理论，需要知道鸟翼每一剖面任一时刻的运动速度和攻角，以及剖面的升力、阻力系数随攻角的变化关系。获得这些数据是十分困难的（测量鸟翼拍动时的形态学和运动学参数比测量昆虫的这些参数困难得多）。因而，人们并没有系统地进行这方面的工作。早期的研究主要是用简单的力学原理估算气动力和能耗：升力等于重量（可测得）；推力等于身体各部分阻力，其与V2（V 为飞行速度）成正比；产生升力所需的功率（称为诱导功率），用动量定理计算，其与1/V（应用动量定理时假设鸟翼扫过的面积为一圆面）成正比。从而可知，飞行的需用功率由两部分组成：克服身体各部分阻力的功率，正比于V3；诱导功率，正比于1/V。这表明飞行速度较小或较大时，功率较大，而在某一中等速度下，功率最小，即功率随飞行速度的变化关系呈一U形曲线（飞机和直升机亦如此）。

上面应用动量定理的计算中将鸟翼的作用视为一圆形作用面，以常速（诱导速度）下排空气，这是对鸟翼与周围空气相互作用的一个很大的简化。人们试图知道鸟翼究竟是怎样与周围的空气相互作用而产生气动力的。鸟飞行时留下的尾迹是鸟翼与空气相互作用的结果；对尾迹的流动显示和定量测量也相对容易一些。因而人们开始通过研究鸟的尾迹来推知和估算翼上的气动力。

最早的这类研究是Rayner的尾涡理论模型，其对拍动运动做一些假设后，基于涡动力学理论认为，翼每次下拍产生一标准的圆形涡环（上拍无作用），尾迹由涡环串组成。给定鸟的重量，平均升力就确定了，从而涡环的强度和运动可确定，进而诱导功率可确定。当时的（较粗略的）流动显示实验也表明了尾迹中有环状涡结构。这一模型比动量定理的圆盘作用面模型更真实地反映了鸟翼与流体的相互作用，可更好地计算诱导功率，但其对尾迹和拍动运动都做了较大的简化假设，之后的许多流动显示实验都表明了这一点。

随着流场速度测量方法的发展，人们开始用PIV方法定量测量鸟类尾迹的速度场，从而可计算出涡量场；还建造了专门的风洞，并发展了新的训练鸟在风洞中飞行的方法Spedding等系统地测量了一种夜莺在不同飞行速度下飞行的尾迹速度场（离鸟约15个弦长之后的远场尾迹），从而获得尾涡结构和强度。结果表明：飞行速度较低时，远场尾迹主要由一对对的涡环组成，下拍产生一直径较大、环量较大的涡环（非标准圆形），上拍产生一较小和较弱的涡环。飞行速度较大时，尾迹主要由两个分别发自左右翼尖的尾涡（流向涡）和连接它们的若干展向涡构成（形状犹如梯子）；两尾涡的环量沿其涡轴线周期性变化，两尾涡的间距和两尾涡在垂直方向的位置也周期性地变化。在较小和较大速度之间，随着速度的增加，尾迹从前者逐渐过渡到后者。用测得的涡的环量，涡的几何形状和方位，可近似估算出翼上拍的平均气动力和下拍的平均气动力分别是多少。估算出的升力能近似平衡鸟的重量。这一工作的意义在于，它能告诉人们气动力是上拍还是下拍产生的，各产生多少，升力和阻力分别是多少。

一种夜莺飞行时身体对称面内尾迹的速度和涡量场

接着，同一研究小组对形态和运动上各异的若干鸟类做了类似的实验研究，不同的鸟、同一鸟在不同飞行速度下，尾涡结构不同，但都与上述夜莺的某一种尾涡结构大体上相似。

到目前为止的尾迹测量能近似给出上拍或下拍的平均气动力，有时甚至可近似给出瞬时气动力，但是由于没有翼面附近的流场信息，这些工作不能解释气动力是如何产生的。有研究称，斑鹟的瞬时气动力合力系数最大可达2.7，如此大的力系数是不能用传统的空气动力学原理解释的，其产生的机制十分值得研究。今后的工作应着眼于翅膀拍动运动中形态学和运动学参数的细致测量，翼面附近的流场、翼面压强和翼的气动力的测量和（或）计算，这样才能揭示鸟翼产生升力和推力的机制。

上面有关鸟类飞行的研究简介，没有包括蜂鸟。与其他鸟不同，蜂鸟的拍动运动方式更像昆虫，上拍时可将翅膀翻转过来（翅背部作下翼面，底部作上翼面），产生与下拍同量级的气动力（其他鸟的上拍中，通常翅膀面积变小，攻角近似为零，产生很小的气动力或几乎不产生气动力）。因为可使蜂鸟在实验室条件下长时间悬停，对其流场的测量也更详尽些，有尾迹的结果，也有一些翼面附近的流场的结果。尾迹流场（从而涡量场）的测量结果给出了上拍和下拍分别产生的平均气动力。翼面附近的测量的结果表明翅上存在前缘涡，流动不是附着的。这表明蜂鸟有可能是用与昆虫类似的机制产生气动力，但这需要进一步的工作来证实，特别是需要翅膀气动力、翼面压力分布和翼附近的流场的测量和计算方面的工作。有关蜂鸟前飞的工作还没有开展。

来源：转载于：中国科学院编《流体动力学》节选

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