Blækspruttejetfremdrift kan forbedre design af undervandsrobotter, køretøjer

Blæksprutter og andre blæksprutter bruger en form for jetfremdrift, der ikke er godt forstået, især når det kommer til deres hydrodynamik under turbulente strømningsforhold. At opdage deres hemmeligheder kan hjælpe med at skabe nye designs til bioinspirerede undervandsrobotter og -køretøjer, der skal fungere i dette miljø.

Forskere i Skotland, USA., og Kina udforsker den grundlæggende mekanisme bag blæksprutters pulserende jet-fremdrift. I Væskers fysik , gruppen beskriver deres numeriske undersøgelse af jetfremdriften af ​​blæksprutter med turbulent strømning, der overvejes for første gang. Blandt deres opdagelser, de fandt ud af, at trykproduktion og effektivitet er undervurderet inden for laminar, eller ikke-turbulent, strømme.

Modellen for denne forskning er en 2-D blækspruttelignende svømmer, der har en fleksibel kappe med et trykkammer og en dyse, der tjener som indløb og udløb af vand. En ydre kraft, som efterligner blækspruttemusklens indsnævring, påføres på modellens fleksible kappeoverflade.

"Som resultat, kroppens indre volumen falder, og vand inde i kammeret udstødes for at danne en jetstrøm, " sagde Yang Luo, en af ​​forfatterne og en forskningsassistent ved University of Strathclyde i Glasgow, Skotland. "Blæksprutten drives fremad af den stærke stråle i den modsatte retning, så puster kappen sig automatisk op som følge af lagret elastisk energi. Under oppustning af kappen, vand bliver suget ind i kammeret og bliver slynget ud under den næste kappeudtømning."

Jetfremdrift kan være mere effektiv, når turbulent flow tages i betragtning, ifølge Luo. Gruppen opdagede også symmetri-brydende ustabilitet af hvirvler omkring jetteren, som udsender vandstråler, efter flere kontinuerlige jet-cyklusser.

"Dette kan hjælpe med at give en bedre forståelse af, hvorfor burst-and-coast svømning bruges af unge og voksne blæksprutter, der opererer i turbulente strømme hyppigere sammenlignet med blæksprutteunger, der opererer inden for laminære strømme, " sagde Luo.

Ud over jetfremdrift, unge og voksne blæksprutter er også afhængige af finnesvingninger på hovedet for at svømme ret ofte. Gruppen fandt ud af, at denne burst-and-coast-stil kan hjælpe blæksprutter med at undgå den symmetri-brydende ustabilitet i den omgivende strømningshvirvel, der kan forårsage forringelse af tryk og effektivitet.

"Resultaterne af vores arbejde om mekanismen for symmetri-brydende ustabilitet giver vejledning til design af blæksprutte-inspirerede undervandsrobotter og -køretøjer, " sagde Luo. "Kontinuerlig jetfremdrift er muligvis ikke gunstig, og specifikke foranstaltninger er nødvendige for at afbøde virkningen af ​​denne ustabilitet under design af jetfremdrivningsinspirerede undervandsfartøjer eller fremdrivningsmotorer via aktiv kontrol af kropsdeformation for at ændre udviklingen af ​​det indre hvirvelmønster."

Vil vi snart se nye jetfremdrivningsbaserede ubåde?

"Det er svært at afgøre på nuværende tidspunkt, " sagde Luo. "Men som en relativt mindre omfattende undersøgt form for undervandsfremdrift, det er fordelagtigt i form af en ligetil mekanisme til effektiv øjeblikkelig flugt og høj manøvredygtighed. Dette gør det lovende at integrere med typisk thruster fremdrift for at opnå on-demand manøvredygtighed."