動物教會我的流體力學

動物教會我的流體力學的圖1

 

流體力學廣泛應用于各個領域,例如,利用流體力學的知識和方法可以設計出更加節能、更加安全的汽車和飛機;可以研究海洋環境、氣象變化等大自然中的流體現象,探究其規律和影響因素;還可以研究能源轉化和傳遞中的流體動力學問題,為能源的開發和利用提供理論和實踐支持。

計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱 CFD)是一種基于數值計算方法研究流體運動的技術。它利用數學模型、計算機模擬和數值方法,對復雜的流體運動過程進行數值模擬和預測,以求解流場的物理量(如流速、壓力、溫度等)分布,進而得到流體的運動規律和性質,最終進行產品結構優化以提升性能指標。

動物教會我的流體力學的圖2

事實上,流體力學無處不在,你可能沒有意識到,我們的動作或行為也涉及到流體力學。無論是揮舞雙手、用手指翻轉筆桿,還是劃著船穿越波濤洶涌的水面——這些活動都涉及推動流體或制造渦流。


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動物或微生物也許比你更了解流體力學。

比如,在鹽堿地和惡劣環境中群居的火烈鳥。它們擅長運用流體力學,這一點在進食過程中表現得非常明顯。火烈鳥用喙在水面上畫圈,形成渦流,幫助它們從臟水中篩出小魚或其他藏在泥里的生物。

萌萌的企鵝雖然長滿羽毛,擁有一對翅膀,雖不會飛翔,但是會用這對翅膀(鰭)在水中游動前行。借助翅膀或鰭的“流體力學”,它們能夠成為游泳健將并進行長距離的遷移。借助對“企鵝鰭流體力學”的研究,讓我們對游泳運動中關鍵的推進力和行進阻力有了更清晰的認知。

動物教會我的流體力學的圖3

在自然界中,生物體的形態、結構以及行為都是經過長期演化所形成的,在各種環境中都具有很好的適應性和優越性能。這些自然界中的設計靈感,啟發了科學家們將動物們的“絕技”應用于技術領域中,這也就是仿生學的范疇。


動物教會我的流體力學的圖4

長期以來,古生物學家利用化石遺跡來研究不同物種的生理特征和進化歷程。達爾文用長達 5 年的時間在南美和太平洋島嶼旅行,通過研究動物、植物、遺物骨架或印痕化石,總結出了生物進化論。

CFD與仿生學是兩個看似不相關的領域,但它們卻有著緊密的聯系。CFD(計算流體力學)是一種利用數值計算方法研究流體運動的技術,而仿生學則是研究自然界中生物體的結構、功能和行為,并從中獲取啟示,開發出新的技術和材料的學科。

在自然界中,生物體的形態和結構都是經過長期演化所形成的,它們的結構和形態在各種環境中都具有很好的適應性和優越性能。這些自然界中的設計靈感,啟發了科學家們將仿生學的思想應用于技術領域中。

在 CFD 領域,仿生學的應用主要體現在流體動力學中。生物體的運動和環境適應性使得它們的外形和表面結構具有特殊的流體力學特性,比如減阻、增加升力、減小湍流等等。將這些特性應用于工程設計中,可以有效地降低能耗、提高效率、減少噪音等。

例如,鯨魚的皮膚表面有很多小凸起,這些凸起可以減小水流的摩擦力,從而降低阻力。這個設計靈感被應用在飛機和船舶的表面上,可以有效地減小阻力,降低燃油消耗。另外,燕子的翅膀表面有很多細小的羽毛,這些羽毛可以減小湍流的產生,使得燕子在飛行時更加穩定。這個設計靈感被應用在飛機的翼型設計中,可以減小飛機在飛行過程中產生的湍流,從而提高飛機的穩定性和效率。

除了表面結構的仿生學應用,生物體的形態和動作也可以為工程設計提供靈感。例如,極地熊的前掌和企鵝的翅膀在水下游動時都具有很好的推進力和穩定性,這些運動特點被應用于設計水下機器人和潛艇。

CFD 與仿生學的結合為工程設計提供了很好的靈感和指導,使得設計的產品具有更好的性能和適應性。未來,隨著科技的不斷發展,這種結合將會在更多領域中得到應用,帶來更多的突破。



Cadence 致力于通過長期在計算軟件方面的核心競爭力來推動系統創新。我們的計算流體力學解決方案是履行這一承諾的重要一環。具備業界領先的網格劃分方法,以及強大的求解器和后處理能力,用戶很快就會發現,計算流體力學就是“Cadence 流體力學”。

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