宋立群 及春宁 张晓娜

(天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 300050)

引言

海洋探测技术是海洋科学技术的重要组成部分,目前普遍使用的声纳系统在海洋资源开发、海洋灾害预警和海洋环境保护等方面均起着重要作用.但美国自然资源保护委员会的一项报告显示,声呐等造成的海洋噪声正影响着海豚、鲸的生活,轻则影响海洋生物的长期行为,重则导致其听力丧失甚至死亡.因此,开发环境友好型海洋探测技术对未来海洋探测具有重要意义.研究发现,斑海豹等鳍足类动物可以不借助听觉、视觉与化学信号,只凭触须就能识别、监测周围流体环境,并且可以实现定位追踪[1-6],这为研发一种新型、无污染的海洋探测技术[7]提供了新的思路.

斑海豹独特的感知能力与其具有特殊外形的胡须密切相关.研究表明斑海豹胡须具有周期性的波浪状外形,沿展向长度呈现正弦曲线轮廓[8-9].基于此,学者们通过粒子图像测速、数值模拟等方法进一步研究胡须形态对其水动力响应的影响,并以Hanke等[8]建立的几何模型为基础,研制出了一系列斑海豹胡须仿生传感器.Hanke 等[10-11]研究了单根斑海豹胡须的水动力学特性,再现了雷诺数(Re)为300 和500 条件下胡须后方的尾流结构,并发现,在均匀流场中,斑海豹胡须的特殊外形能够大幅度抑制其涡激振动(vortex-induced vibration,VIV[12-14]),因此具有较低的背景噪声,从而提高了其识别和追踪物体尾迹的能力.

Beem 等[15]、Hans 等[16]与Eberhardt 等[17]分别以斑海……