鱼类进化成流线型而非球形的原理

鱼类进化成流线型而非球形的原理

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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：

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。

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。

Dalian University of Technology