Maximal Speed of Underwater Locomotion
| dc.contributor.author | Nesteruk, I. | |
| dc.date.accessioned | 2020-04-15T14:31:46Z | |
| dc.date.available | 2020-04-15T14:31:46Z | |
| dc.date.issued | 2019 | |
| dc.description.abstracten | Background. An increasing interest in unmanned underwater vehicles continues to draw attention to swimming in aquatic animals. Their high speed continues to surprise researchers. In particular, the high dolphin speed caused a series of attempts to explain its paradox, which continues to this day. Some researchers believe that even rigid bodies, shaped like water animals, provide an attached flow pattern, as opposed to the widespread view of the inevitable separation. The possible explanation may be in the perfect body form, which provides an attached flow pattern (without boundary layer separation). Elongated unseparated shapes can not only reduce the pressure drag but also delay the laminar-to-turbulent transition in the boundary layer, significantly reducing the friction drag. Thus, the highest possible swimming speeds are expected in aquatic animals. Objective. We will try to prove that the low drag and the high speed of aquatic animals can only be ensured by their unseparated shape (as a rigid body), neglecting flexibility and compliance. Methods. We will use: a) shape calculations of special bodies of revolution with negative pressure gradients near the tail similar to fish trunks with the use of the developed before approach; b) the known drag estimations of such shapes for laminar and turbulent cases; c) the swimming power balance and the theory of ideal propeller; d) statistical analysis of available data about the length, the speed and the aspect ratio of aquatic animals. Results. The swimming speed of most aquatic animals is proportional to the length of the body in power 7/9. The exception is whale locomotion that occurs in turbulent mode at supercritical Reynolds numbers. Conclusions. The perfect body shapes of most aquatic animals provide an attached laminar flow pattern. Estimated maximum speeds for laminar and turbulent cases show that the special shaped unseparated hulls can greatly increase the speed of underwater vehicles and SWATH ships. Further increase in speed can be achieved by using supercavitation and greater than animal capacity-efficiency. | uk |
| dc.description.abstractru | Проблематика. Растущий интерес к беспилотным подводным аппаратам обуславливает усиление внимания к плаванию водных животных. Их высокая скорость продолжает удивлять исследователей. В частности, большая скорость дельфина вызвала ряд попыток объяснить этот парадокс, которые продолжаются и по сей день. Некоторые исследователи считают, что даже твердые тела, похожие на водных животных, обеспечивают безотрывный режим обтекания, в отличие от распространенного взгляда о неизбежном отрыве. Возможным объяснением может быть идеальная форма тела, которая обеспечивает обтекание без отрыва пограничного слоя. Удлиненные безотрывные формы могут не только уменьшить сопротивление давления, но и задержать ламинарно-турбулентный переход в пограничном слое, значительно снижая сопротивление трения. Таким образом, ожидается, что наибольшую возможную скорость плавания имеют водные животные. Цель. Мы попробуем доказать, что низкое сопротивление и большая скорость водных животных обеспечиваются только их безотрывной формой (что считается жестким телом), тогда как гибкость и податливость являются незначительными факторами. Методика реализации. Мы будем использовать: а) вычисления формы специальных тел вращения с отрицательным градиентом давления у хвоста, похожих на туловища рыб, с применением ранее разработанных методик; б) известные оценки сопротивления таких форм для ламинарных и турбулентных случаев; в) энергетический баланс плавания и теорию идеального винта; г) статистический анализ имеющихся данных о длине, скорости и удлинении водных животных. Результаты. Скорость плавания большинства водных животных пропорциональна длине тела в степени 7/9. Исключение составляет движение китов, которое происходит в турбулентном режиме при сверхкритических числах Рейнольдса. Выводы. Идеальные формы тела большинства водных животных обеспечивают безотрывное ламинарное обтекание. Оценки максимальной скорости движения для ламинарного и турбулентного случаев показывают, что безотрывные корпуса специальной формы могут значительно увеличить скорость подводных транспортных средств и SWATH-судов. Дальнейшее увеличение скорости может быть достигнуто за счет использования суперкавитации при большей, чем у животных, мощности-эффективности. | uk |
| dc.description.abstractuk | Проблематика. Зростаючий інтерес до безпілотних підводних транспортних засобів зумовлює посилення уваги до плавання водних тварин. Їхня висока швидкість продовжує дивувати дослідників. Зокрема, велика швидкість дельфіна викликала низку спроб пояснити цей парадокс, що тривають і донині. Деякі дослідники вважають, що навіть тверді тіла, схожі на водних тварин, забезпечують безвідривний режим обтікання, на відміну від поширеного погляду про неминучий відрив. Можливим поясненням може бути ідеальна форма тіла, яка забезпечує обтікання без відриву примежового шару. Видовжені безвідривні форми можуть не тільки зменшити опір тиску, але й затримати ламінарно-турбулентний перехід у примежовому шарі, значно зменшивши опір тертя. Таким чином, очікується, що найбільшу можливу швидкість плавання мають водні тварини. Мета. Ми спробуємо довести, що низький опір та велика швидкість водних тварин забезпечуються лише їхньою безвідривною формою (що вважається жорстким тілом), тоді як гнучкість і податливість є несуттєвими факторами. Методика реалізації. Ми будемо використовувати: а) обчислення форми спеціальних тіл обертання з від’ємним градієнтом тиску біля хвоста, схожих на тулуби риб, із застосуванням раніше розроблених методик; б) відомі оцінки опору таких форм для ламінарних і турбулентних випадків; в) енергетичний баланс плавання і теорію ідеального гвинта; г) статистичний аналіз наявних даних про довжину, швидкість і видовження водних тварин. Результати. Швидкість плавання більшості водних тварин пропорційна довжині тіла у степені 7/9. Виняток становить рух китів, що відбувається в турбулентному режимі за надкритичних чисел Рейнольдса. Висновки. Ідеальні форми тіла більшості водних тварин забезпечують безвідривне ламінарне обтікання. Оцінки мак-симальної швидкості руху для ламінарного і турбулентного випадків показують, що безвідривні корпуси спеціальної форми можуть значно збільшити швидкість підводних транспортних засобів і SWATH-суден. Подальше збільшення швидкості може бути досягнуте за рахунок використання суперкавітації за більшої, ніж у тварин, потужності-ефективності. | uk |
| dc.format.pagerange | Pp. 152–167 | uk |
| dc.identifier.citation | Nesteruk, I. Maximal Speed of Underwater Locomotion / I. Nesteruk // Innovative Biosystems and Bioengineering : international scientific journal. – 2019. – Vol. 3, No. 3. – Pp. 152–167. | uk |
| dc.identifier.doi | https://doi.org/10.20535/ibb.2019.3.3.177976 | |
| dc.identifier.uri | https://ela.kpi.ua/handle/123456789/32932 | |
| dc.language.iso | en | uk |
| dc.publisher | Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute | uk |
| dc.publisher.place | Kyiv | uk |
| dc.rights | Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) | en |
| dc.rights.uri | https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | en |
| dc.source | Innovative Biosystems and Bioengineering : international scientific journal, 2019, Vol. 3, No. 3 | uk |
| dc.subject | water animal locomotion | uk |
| dc.subject | drag reduction | uk |
| dc.subject | unseparated shapes | uk |
| dc.subject | cavitation | uk |
| dc.subject | high-speed underwater vehicles | uk |
| dc.subject | плавання водних тварин | uk |
| dc.subject | зменшення опору | uk |
| dc.subject | безвідривні форми | uk |
| dc.subject | кавітація | uk |
| dc.subject | високошвидкісні підводні апарати | uk |
| dc.subject | плавание водных животных | uk |
| dc.subject | снижение сопротивления | uk |
| dc.subject | безотрывные формы | uk |
| dc.subject | кавитация | uk |
| dc.subject | высокоскоростные подводные аппараты | uk |
| dc.subject.udc | 532.5, 577.3 | uk |
| dc.title | Maximal Speed of Underwater Locomotion | uk |
| dc.title.alternative | Максимальна швидкість підводного руху | uk |
| dc.title.alternative | Максимальная скорость подводного движения | uk |
| dc.type | Article | uk |
Файли
Контейнер файлів
1 - 1 з 1
Ліцензійна угода
1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
- Назва:
- license.txt
- Розмір:
- 8.98 KB
- Формат:
- Item-specific license agreed upon to submission
- Опис: