大阪大學超級電腦模擬揭海豚高速推進關鍵為渦環

大阪大學的研究人員利用超級電腦模擬，解開了海豚如何達到極高速度與靈活性的謎團。研究團隊透過分析海豚尾部產生的複雜湍流水流模式，找出特定的推進機制。有趣的是，超級電腦模擬顯示，海豚的推進力來自於大量強大渦環的形成。「我們的目標是了解湍流中的哪些部分幫助海豚游得如此之快。利用超級電腦，我們可以模擬並分解流體，以確定哪些成分扮演主導角色，」首席作者 Yutaro Motoori 表示。

海豚如何塑造水流以衝刺

專家長期以來知道海豚速度極快，但其推進力的具體來源一直難以追蹤。數十年來，「Gray’s Paradox」指出，海豚肌肉在數學上無法克服水阻，導致錯誤理論認為其皮膚擁有獨特抗拖曳特性。此研究終於解決這一悖論，證明秘密在於流體動力學，而非單純生物學。 海豚透過強力垂直踢動尾巴來推進自身，此動作將水向後驅動，產生複雜湍流尾流。此運動生成「渦環層級結構」——大型富含能量漩渦與小型混亂波紋的混合。

由於這些重疊水流模式的極端複雜性，科學家幾乎無法精確找出負責海豚傳奇速度的特定流體部分。事實上，它隱藏在強力動作產生的複雜氣泡湍流中。 利用大規模數值模擬，大阪團隊發現海豚的踢動產生強大大型渦環。研究顯示，只有這些渦環中最大者提供速度所需的實際推力。「數值模擬顯示，海豚振盪尾巴產生強大大型渦環，將水向後推動並生成推力。隨後，這些大型渦環透過能量級聯過程產生較小渦環。

雖然這些小渦環數量眾多，但對海豚前進運動貢獻甚微，」研究人員指出。 利用高性能模擬，研究人員觀察流體運動的細節水準，在物理實驗中幾乎不可能複製。此數位方法的靈活性，便於輕鬆測試各種情境，確認海豚推進機制在不同游泳速度下保持驚人一致性。值得注意的是，此計算研究提供清晰受控的複雜物理視圖，現實試驗無法捕捉。 這些對海豚推進的洞見，為海洋工程未來提供藍圖，特別在開發更快、更節能的水下機器人及先進湍流控制系統方面。

研究人員現可將這些生物「捷徑」應用於人類科技，透過隔離生成推力的特定機制。雖然這些實際應用仍處於地平線上，此研究突顯物理學如何探索自然世界以解決長期謎團。研究結果刊登於《Physical Review Fluids》期刊。