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作者：

张忠彬

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摘要：

随着海上运输与水下航行技术的发展,流体减阻作为节约能源,减少环境污染的重要技术方法,不断成为国际的研究热点.许多学者以仿生学为基础对水生生物进行研究,结果表明许多生物的体表结构都具有独特的减阻性能,所以将生物体表的形貌特征复制成型于材料表面,是可行且具有重要意义的研究方向.如何大规模,低成本地优化和制造仿生表面是仿生减阻技术的研究重点.本课题提出了一种加工效率高,成本低,清洁环保的加工方法,以鱼类体表鳞片形态特征为生物原型,在铝合金表面进行激光刻蚀,制备仿生鱼鳞表面.主要研究内容和结论如下:1)观察鱼鳞鳞片的排列及形态特征,总结并提取仿生鱼鳞的生物原型,将鱼鳞的排列和形态特征抽象为斜沟槽结构,构建了具有凹坑结构的仿生鱼鳞三维模型.基于构建的三维模型设计激光的刻蚀路径,使用光纤激光器在光滑铝合金表面加工出不同形态的仿生鱼鳞结构.使用超景深电子显微镜,激光共聚焦显微镜,扫描电子显微镜对制备的仿生鱼鳞表面微观形貌及其元素组成进行表征.2)使用COMSOL软件研究仿生鱼鳞表面的流场特性,通过数值模拟的方法,对仿生鱼鳞夹角,沟槽深度,排列间距及水流速度四种因素的单因素试验和正交试验进行研究,获得了各因素的最优组合:鱼鳞夹角120°,凹坑深度130μm,排列间距2300μm,水流速度0.4m/s,该组合的理论减阻率为7.8460%.通过数值模拟分析和对比各表面的流场特性,发现所有仿生鱼鳞表面都分布着明显的"低阻力带",相对于同水流速度下的光滑表面,仿生表面的平均粘性应力更小,表现出了明显的减阻效果,并且在仿生鱼鳞沟槽内产生了"二次流"漩涡.3)基于压差阻力测试原理,搭建流体减阻试验装置.整套试验装置包含了完整的进水驱动,流量控制及压强测试三个部分.根据设计的正交试验方案制备仿生鱼鳞样件,对所有样件进行表面减阻性能测试,分析样品表面的减阻率,结果表明,仿生鱼鳞表面具有减阻效果,实际测得的最大减阻率为8.2745%.基于数值模拟对流场特性的分析,结合目前的沟槽减阻技术,阐述仿生鱼鳞表面的减阻机理,在鱼鳞沟槽内产生的漩涡结构,起到了"流体滚动轴承"的作用,有效地降低了壁面粘性应力,并且与普通横向沟槽相比,仿生鱼鳞表面具有明显的减阻技术优势.

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