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水—固界面系统二元仿生耦合减阻研究

刘庆萍  
【摘要】:水中运动的生物及人造航行器受到的阻力约为空气中阻力的800倍,显然物体在水中运动需要消耗更多的能量来克服水的黏性带来的阻力。物体在水中运动受到的阻力分为三种:摩擦阻力、压差阻力和兴波阻力。摩擦阻力是运动体受到阻力的主要部分,大约占到总阻力的40-80%,因此,降低摩擦阻力即可显著降低运动体航行阻力,从而有效减少能量消耗降低污染物排放。 人造航行器提高速度大多依靠增加功率,不仅增加能耗也会增加污染排放。水中生物特别是鱼类,经漫长进化形成的身体结构、形态、材料与运动机制等,可以有效降低游动阻力。研究表明,鱼的减阻与鱼鳞形态、体表黏液、游动方式以及鱼体外形有关。 本文依据鱼鳞片几何形态及黏液剪切特性,设计了仿生沟槽结构与仿生黏液,运用数值模拟与水槽试验方法,对仿生沟槽与仿生黏液以及二者耦合的减阻特性进行了研究。 对鱼的鳞片进行了形态学测试分析,获得了鳞片几何参数及排列参数,建立了鱼体鳞片形态及排列模型。运用提取的鳞片及其排列的几何参数,进行了仿生减阻表面形态抽象,建立了仿生三维几何模型。鱼鳞片形态抽象成沟槽结构,沟槽宽度在1-5mm之间,沟槽深度在0.1-0.5mm之间,沟槽展向与流动方向垂直。 鱼体表黏液呈现非均匀分布,头部至尾部,含量呈现逐渐减少趋势。鲶鱼、黑鱼黏液含量较高,草鱼、鲤鱼含量较低。测试分析了鱼黏液的剪切特性,黏液黏度随着剪切率提高而降低,剪切特性呈假塑性。鲶鱼、黑鱼黏度稍高,草鱼、鲤鱼黏度稍低。测试分析了黏液水溶液的剪切特性,溶液含量为5-15g/L时,溶液仍然呈假塑性,随着剪切率的提高黏度下降。提取养鱼水作黏度试验,结果和纯水无明显差别,表明活鱼黏液是附着在体表面的,几乎未溶入环境水中。 运用硅胶粉吸附与多孔材料复合方法,对鱼体表黏液分泌行为进行了仿生。10-30min.缓释试验表明,硅胶与多孔材料复合方法,能够缓慢的向水中释放聚丙烯酰胺。这种复合的缓释方法,能够模拟鱼体表黏液状态,在液固界面形成黏液层。 运用数值模拟方法,研究了沟槽表面结构的阻力特性。运用正交试验设计,研究了沟槽结构参数对阻力的影响。考察了沟槽结构形式、沟槽宽度、沟槽深度因素对阻力的影响。数值模拟结果表明,沟槽深度和宽度是影响减阻特性的关键因素,沟槽深度越大减阻效果越好。相同深度下,沟槽宽度越小,减阻效果越好。进一步对沟槽深度和宽度进行优化,宽度一定时,减阻率随着沟槽深度增加而提高,当沟槽深高比超过0.5时,减阻率增加速度放缓,模拟条件下最高减阻率达到52%。数值模拟了高聚物添加剂对流动阻力产生的影响。较低浓度的高聚物添加剂,在较高的流速下能够降低流动阻力,模拟条件下最高减阻率达到26%。在速度低于6ms-1时,3.8g/L高聚物添加剂出现阻力增加现象,速度低于2ms-1时,2.3g/L高聚物添加剂出现阻力增加现象。这是因为速度较低时卷缩缠绕的长链分子未完全伸展,阻碍流体运动,导致阻力增大。 根据耦合仿生学原理,将优化的表面沟槽参数与适当浓度高聚物添加剂溶液进行耦合,数值模拟了仿生沟槽与仿生黏液耦合作用的减阻特性。数值分析结果表明,优化的耦合仿生参数,能够进一步提高减阻率。高聚物添加剂必须超过一定的速度并且在适当的浓度下才能产生减阻效果,速度低于临界值,高分子长链未能完全舒展,呈团状缠绕结构,不但不能减阻,还会增加流动阻力。 水槽试验结果表明,沟槽深度和宽度是影响摩擦阻力的显著因素。沟槽宽度增加,摩擦阻力增高,沟槽深度增加,摩擦阻力降低。减阻率随着沟槽深度增加而提高,在深度超过宽度的0.5倍时,减阻率增速放缓。减阻率还与流体速度相关,减阻率随着流速的提高而增加。最大减阻率出现在流速10ms-1时、沟槽深度为0.8mm时,达到42%。仿生黏液摩擦阻力大约与流速的1.6次方关联,非仿生试样的摩擦阻力与流速的1.8次方关联,仿生试样阻力增长幂指数降低0.2。仿生黏液减阻率随速度增加而提高,在流速10ms-1时最大减阻率为28%。在试验的所有速度范围内,仿生黏液均有减阻作用,没有出现数值模拟中低速下阻力增加现象。 对沟槽结构和仿生黏液进行了耦合仿生减阻试验,结果表明,试验条件下耦合仿生的减阻率高于单独仿生。耦合仿生的减阻率不是两个耦元单独减阻效应的简单叠加,最大耦合减阻率约等于两个耦元单独最大减阻率之和的80%。耦合减阻率不低于任意一个耦元单独作用的减阻率,不高于组成耦元单独减阻率的算术和。仿生黏液最大减阻率为28%,仿生沟槽最大减阻率为42%,而两者耦合作用最大减阻率为58%。


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