Raft Master » Научная библиотека » Нектон. Биология южных морей » Вихреобразование в обтекающем потоке


  • 4-01-2013, 05:00
  • | Views: 986


Вихреобразование в обтекающем потоке

Вихреобразование в обтекающем потоке

В большинстве случаев движение нектонных животных сопровождается образованием вихрей, о чем свидетельствуют прямые экспериментальные данные. Однако в ряде случаев наблюдаемые при движении нектеров вихри и иные видимые возмущения в обтекающем потоке возникают лишь в результате специфических условий эксперимента, не характерных для естественной обстановки, в которой происходит движение животного.

Так, В. В. Шулейкин (1934), анализируя кинограммы движущейся скумбрии, не предназначенные для исследования картины обтекания (Gray, 1933с), обратил внимание на свили у боковой поверхности тела рыбы и на основании этого сделал заключение, что даже у такой хорошо обтекаемой рыбы, как скумбрия, вихреобразование во время движения происходит с достаточной интенсивностью. В тоже время упомянутые кинограммы получены при съемке рыб в мелководной ванне, в непосредственной близости от водной поверхности и отмеченные Шулейкиным тени на кадрах представляют собою лишь волны на поверхности воды, возникшие в результате локомоторных изгибаний тела рыбы (Алеев и Овчаров, 1969).

Точно так же вихри, полученные в опытах с Brachidanio albolineatus (Rosen, 1959, 1961), представляют собою результат искажения истинной картины обтекания условиями эксперимента — близостью плывущей рыбы к поверхности воды, что доказано нами (Алеев и Овчаров, 1971) экспериментально. Очевидно, что эти опыты не дают оснований для того, чтобы говорить (Rosen, 1961) о какой-либо «полезной» роли вихрей: вихри могут быть только вредными, поскольку они всегда бесполезно уносят то или иное количество энергии, затрачиваемой организмом на движение. Утверждение (Rosen, 1961), что представление о системе вертикальных вихрей должно считаться основной гипотезой локомоции рыб, не подтверждается результатами экспериментальных исследований (Алеев и Овчаров, 1969; 1971, 1973а, 19736, и др.).

Аналогичные методические погрешности имели место и в опытах Гертеля (Hertel, 1967а). Констатированные в этих опытах вихри в гидродинамических следах за форелью и угрем не дают оснований для заключений о вихреобразовании непосредственно у тела рыбы. Как уже было показано (Алеев и Овчаров, 1969) с применением более объективной методики визуализации потока, при плавании той же самой форели в толще воды, на достаточном удалении от водной поверхности никаких вихрей у тела рыбы нет, тогда как картина вихреобразования в гидродинамическом следе прослеживается во всех деталях.
В опытах Розена (Rosen, 1961) с дельфином Lagenorhynchus obliqui-dens, выпрыгивающим из воды и проплывающим сквозь пылевой экран, образованный медленно падающими частицами пластика, картина обтекания искажена близостью поверхности воды и не дает возможности судить о наличии вихрей у тела животного. Другие опыты Розена (Rosen, 1961), в которых фотографировался плывущий дельфин, окрашенный спереди флюоресцирующей краской, указывают на отсутствие каких-либо вихрей у его тела: окрашенная флюоресцирующим веществом вода в виде четкой ленты без всяких намеков на вихри проходит вдоль всего тела дельфина и лишь перед хвостовым плавником несколько отходит от тела,, причем отходит очень плавно, без вихревых движений, характерных для обычной картины отрыва пограничного слоя. Наблюдения за плывущим дельфином в условиях свечения моря (Hill, 1950; Steven, 1950) показывают, что зверь оставляет за собой лишь узкую яркую полосу, без намеков на какие-либо вихри.

Говоря о вихреобразовании, возникающем при плавании нектеров,. необходимо четко разграничивать два момента: 1) возникновение вихрей в гидродинамическом следе за плывущим нектером и 2) возникновение вихрей отрыва непосредственно у тела плывущего нектера.
Наличие вихрей в гидродинамическом следе за плывущим нектером с осевым ундуляционным движителем является твердо установленным фактом и обусловливается самим существом локомоторной работы движителя этого типа (Алеев, 19596, 1963а, 19736, 1974; Алеев и Овчаров, 1969, 1971, 1973а, 19736; Hertel, 1967b, и др.).
Что же касается вихрей отрыва, которые могли бы иметь место непосредственно у тела плывущего нектера, то наличие их при плавании нектеров в обычных для них условиях до настоящего времени никем не показано, а все имеющиеся указания на возникновение таких вихрей (Шулейкин, 1934, 1953; Rosen, 1959, 1961; Hertel, 1967b, и др.) основаны на артефактах, которые в условиях эксперимента могут быть специально смоделированы (Алеев и Овчаров, 1971).
Оба эти факта — присутствие вихрей в гидродинамическом следе и отсутствие вихрей отрыва непосредственно у тела нектера — были установлены и детально исследованы нами (Алеев и Овчаров, 1969, 1971, 1973а, 19736, и др.) в ходе экспериментального изучения картины обтекания рыб — Acipenser, Salmo, Anguilla, Chalcalburnus. Carassius, Mugil, Diplodus, Spicara, Pomatomus, Trachurus и др. Опыты проводились в двух гидроканалах — малом и большом. Длина, ширина и высота малого канала составляла соответственно 2,00, 0,24 и 0,22 м при глубине рабочего слоя воды 0,20 м; большого — 4,00, 0,40 и 0,40 м при глубине рабочего слоя воды 0,30 м. Длина исследованных рыб менялась в пределах от 10 до 60 см при высоте тела от 2 до 7 см.

При таком соотношении размеров рыб и каналов обеспечивалось достаточно малое влияние на процесс движения как поверхности воды, так и стенок канала. Визуализация обтекающего потока достигалась путем вливания (шприцем) в ротовую полость рыбы специальной красящей пасты, в основу которой был положен гистологический краситель азур-2. Во время экспериментов вода в канале (соответственно экологии исследуемых рыб — морская или пресная) была неподвижной. Движение рыбы и остающийся за нею след документировались с помощью плановой киносъемки киноаппаратом «Конвас» на 35 мм пленку, а также с помощью синхронной двухплановой киносъемки — сверху и сбоку — двумя камерами «Конвас», что позволило представить картину обтекания в стереометрическом виде. Скорость движения рыб, определяемая по кинокадрам, в разных случаях изменялась от 0,5 до 2,5 м/сек при величинах Re от 5,0 104 до 5,0 105. При движении рыбы окрашенная азуром вода выходила из жаберных щелей в виде контрастных синих струй, омывающих практически все тело и создающих картину, оптимальную для визуальных наблюдений и киносъемки (рис. 72—76). Всего было проведено свыше 3000 опытов.

Как при активном, так й при инерционном движении отдельные порции выбрасываемой из жаберных щелей воды, соответствующие отдельным выдохам, оставались заметными вплоть до скоростей движения 2 м/сек (рис. 72—76). Это показывает, что работа жаберного аппарата наряду с фактом локомоторных изгибаний тела является одной из важнейших причин нестационарного характера обтекания у рыб, что согласуется с выдвинутым ранее тезисом (Breder, 1924, 1965; Бурдак, 1968) о влиянии процесеа дыхания рыб на локомоцию. При пассивном типе дыхания, который наступает у рыб с увеличением скоростей движения (Hughes, 1960а, 1960b; Walters, 1962; Wahlert, 1964а, 1964b, и др.), поступление воды из жаберных щелей в пограничный слой становится более или менее равномерным и поэтому значение жаберного аппарата как фактора, обусловливающего нестационарность обтекающего потока, сокращается или утрачивается полностью. В наших опытах у Spicara и Trachurus при Vr от 4 до 5 Ljcen при наличии активного дыхания ламинарный участок пограничного слоя составлял 30—40% абсолютной длины La рыбы (рис. 73), тогда как при пассивном дыхании длина его заметно увеличивалась и достигала 45—60% La (рис. 74). Это подтверждает мнение (Бурдак, 1969а) о турбулизующем влиянии работающего жаберного аппарата рыбы на пограничный слой. Турбулентный характер струй воды, выбрасываемых при активном дыхании из жаберных щелей, хорошо виден на полученных нами кинограммах (рис. 72,Б; 73 и др.).

Результаты проведенных нами опытов позволяют заключить, что как при активном, так и при инерционном движении какие-либо крупные вихри, связанные с общим отрывом пограничного слоя, в обтекающем рыбу потоке отсутствуют. Во всех без исключения случаях наблюдалось только безотрывное обтекание тела рыб на всем его протяжении, включая и весь хвостовой плавник (рис. 72—76).




  • Вернуться



  • Еще по теме


    Функции хвостового плавника


    Нахождение хвостового плавника в зоне отрыва


    Вихреобразование в следе


    Обтекание у Xiphioidae


    Способы предотвращения отрыва пограничного слоя

     

    Последние новости



    Пользовательский поиск

    Партнеры