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| 随着环境污染的不断加重,不可再生能源的日益枯竭,低碳环保型的可持续发展模式已经成为人类的共同追求。在运载工具、管道输送等领域,减小流体总阻力以提高能源利用率的主要方式就是尽可能的降低表面摩擦阻力。本文依据仿生学原理,将鱼鳞形凹坑表面应用于流体减阻领域,并研究其减阻性能。仿生非光滑表面减阻技术是非光滑表面理论的一个重要分支,经过几十年的发展,取得了大量的科研成果。但到目前为止,非光滑表面形貌主要以顺流向沟槽为主,而对其它非光滑形貌的研究较少。受水力机械中过流面上鱼鳞形凹坑磨痕的启发,并结合对鲤鱼鳞片生理结构和表面特性的研究,设计了鱼鳞形凹坑表面。以Fluent软件为运算工具,通过正交试验的方法研究了鱼鳞形凹坑表面的减阻特性,并以光滑表面和球形凹坑表面为参考表面,分析了鱼鳞形凹坑表面对近壁区流动特性的影响。首先,分析了典型的水力机械中过流面上鱼鳞形凹坑磨痕的三维形貌特征及其产生和发展机理；并对东北鲤鱼鳞片的表面形貌参数和浸润特性进行了测量分析,基于两者的分析结果,建立了三维鱼鳞形凹坑的简化模型；数值结果表明：特定形貌的鱼鳞形凹坑表面具有较为明显的减阻效果,相对于光滑表面,鱼鳞形凹坑表面虽然产生了额外的压差阻力,但同时也大幅降低了摩擦阻力,最终产生了减阻效果。正交试验分析表明：鱼鳞形凹坑的形状对减阻效果的影响最大,速度其次,具有最佳减阻效果的参数组合为：凹坑最深点前移1/2R(0.025mm),速度为4m/s,鱼鳞形凹坑的最大深度为0.02mm,鱼鳞形凹坑的直径为O.1mm,鱼鳞形凹坑的纵向间距为4R(0.2mm)。通过分析鱼鳞形凹坑表面对近壁区流动特性的影响可以发现,鱼鳞形凹坑通过降低近壁区的速度梯度,降低了鱼鳞形凹坑区域的壁面剪应力；相比球形凹坑表面,鱼鳞形凹坑区域的逆压梯度小于球形凹坑区域的逆压梯度,使得其产生的压差阻力远小于球形凹坑产生的压差阻力,这是鱼鳞形凹坑表面减阻效果优于球形凹坑表面的原因；在鱼鳞形凹坑内,形成的低速漩涡起到“微型滚动轴承”的作用,显著降低了壁面剪应力 |
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