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关于真实的鲨鱼皮表面减阻的数值模拟和研究

摘要：众所周知，鲨鱼皮的表面可以有效地抑制湍流的发生减少壁面的摩擦，但是为了了解减阻的机制，我们必须解决表面沟槽的紊流问题，并在这方面，直接数值模拟是一个重要的工具。在这篇文章中，基于真实的生物上的鲨鱼皮，真实的鲨鱼皮模型是通过高精度的扫描和数据处理建立的。在一个真正的鲨鱼皮湍流是全面的模拟，基于该仿真减阻机制进行讨论。此外，为了验证该鲨鱼皮的表面减阻的效果，实际的实验在水隧道中进行，并且实验结果与数值模拟基本一致。

关键词：数值模拟，实验研究，仿生表面，鲨鱼皮，减阻机制

介绍：

经过数百万年优胜劣汰的竞争，生物已经形成了自己的独特的功能表面，如用于减阻，耐磨性，自清洁等。鲨鱼是在海洋中游泳最快的动物之一，因为鲨鱼皮的表面上有许多细微沟槽。在20世纪70年代，迈克尔NASA兰利研究中心发现，带肋表面可以有效地减少壁摩擦，这极大的颠覆了传统的思想，并且还为人类开辟了减阻技术的新途径。直接数值模拟是一个重要的研究紊流工具，许多研究都与流体工程密切相关。该沟槽减阻表面的机制一直是重要课题之一。然而，模拟至今主要局限于简单直槽，如三角槽，半圆槽等简单的直槽，并就作者的知识而言，真实鲨鱼皮表面的流程模拟过尚未见报道，另外，迎角的影响没有考虑。此外，为了验证鲨鱼皮的减阻效果，实际的实验都在有水的隧道里进行。

1. 建立鲨鱼皮的模型

鲨鱼皮表面是由许多小的部分组成，其表面显微结构如图一所示。这些小结构的延伸方向是与鲨鱼的游泳方向大致平行的，这种沟槽的顶端可以伸出粘性底层和抑制不稳定气流的出现，因此可以减少壁面摩擦。为了研究真实鲨鱼皮表面减阻机制，建立一个模型需要以下步骤：（1）对于一个微表面的精确扫描（2）扫描图案的数据分析和处理（3）建立单个微表面和整个鲨鱼皮大面积的三维模型（4）计算领域的建立（5）CDF模型和数字模型的建立。因为所有的相关信息全都来自于真实的鲨鱼皮原型，因此这种模拟比普通直槽更精确和更可靠。

1.1对鲨鱼皮表面的预处理和扫描

在构建模型的过程中，为实现良好的光反射和导电能力，鲨鱼皮处理要经过以下五个步骤：清洗，化学固定，再清洗，脱水，烘干。为了获得足够的和精确的数据显示，采用了超高精度扫描方法，并采用高精密仪器包括相移MicroXAM-3D具有1纳米重复性的RMS，这个最小的垂直分辨率是0.1nm，并且校验精度少于0.1%。通过高精度的扫描，得到的单个微表面结构三维模型如图二所示。

图2单个微表面的三维结构模型

1.2建立真实的鲨鱼表层模型

建立一个真实的鲨鱼皮表层模型是过程中最重要的一步，并且这个模型应该准确的和生物原型一致。单个微表面的二维图像尺度表面和相应的横截面签署线曲线示于图3。相关数据导入到SolidWorks软件，通过升级，剪裁等步骤，单个微表面和鲨鱼皮整个表面的三维模型建立完成如图4和图5。

图3生物鲨鱼皮规模和相应的截面曲线

图4单个鲨鱼皮微表面

图5许多微表面的鲨鱼皮

2.对于CFDD的预处理

因为鲨鱼皮表面非常复杂，用没有沟槽糊不同的表面是非常困难的，并且鲨鱼表面的连续性和计算领域不能确定。因此，鲨鱼皮表面应该被合理的简化。除此之外，微表面的纵切面与流动方向不平行，但是与迎角平行，如图6所示。根据内置尺度模型和实际迎角（这是约10°至30°，在这篇文章中假设所有尺度的迎角是15°）得到的连续的鲨鱼表皮模型和计算模型如图7和图8所示。为了保证计算的高准确性和减少这些总网格数，这些分配应该符合以下原则：（1）为了掌握表面附近流场的特征，上层表面和下层表面上的格栅应该非常完善。（2）受限于计算机的能力，在计算领域的总格栅数不应该大于1600000，因此，这些格栅应该在远离表面的稀疏区域内。

图6单个微表面的迎角

图7.连续的鲨鱼皮表面

图8.计算模型

这个模型的格栅和在鲨鱼皮微表面的扩大格栅和表面的平滑如图9所示，用在数学领域内宽度，高度和长度的比例为10:4：15，并且这个领域的高度大约是这个微表面的20倍，因此，在上表面和下表面附近的流动将不会受到干扰，因此，这个模拟的准确性可以得到保证。在垂直方向上这个高度以1.25:1的比例被分为40个线网格。评定整个体积的参数包括Ted/混合元素，T类型T网格和5号空间间隔。总网格数是1470000，最大和最小的网格体积容量分别是4.496124times;10 ?16 m 3 and 3.574049times;10 ?20 m 3 。在该模拟过程中，采用RNG k -ε的湍流模型，在墙壁表面做增强处理去精确的模仿微型槽附近的流场，并且其他的的值均设定为默认值。除此之外，边界处要做如下处理：

1. 对于对充分发展的湍流，计算流场的流入端和流出端应该设置作为周期性边界条件。
2. 在流场的所有翼展方向，这个流动是不受限制的，为了避免其他流场的干扰，沿着数字流场的翼展方向边界层被设定为一个对称条件。
3. 上层的光滑表面和下层的真实鲨鱼皮表面设定为一个无滑移和不可渗透的边界条件。

图9.网格的分布

1. 真实鲨鱼皮表面的流场分析

3.1剪应力分析

当在流场的平均流速是6米/秒时，雷诺数超过了临界值，并且这个流动进入了一个充分发展的湍流状态，粘性粘性底层的深度约10微米，因此，微表面的末端将会粘在外表层，这个沟槽表面也会依减少湍流发生的作用，因此减少阻力。在数字模拟的过程中， 迭代次数设置为100时，剩余误差曲线如图10所示，鲨鱼皮表面和光滑表面在流动方向的轮廓曲线如图11所示。为了进一步分析切应力，单个微表面的切应力曲线也测出来了，如图12所示。根据上面的数据表面，在光滑表面的切应力是均匀的，大约是408 Pa - 738 Pa，但是真实鲨鱼皮微表面的值在流动方向上是580 Pa - 4 700 Pa之间，在尖端上是最大值，这个值比光滑表面上的值大，在低端上是最小值，这个值比光滑表面上的值小，在这个方向上甚至是相反的方向上，这个值比光滑表面小很多。真实鲨鱼皮表面整体切应力也比光滑表面小的多，因此真实鲨鱼皮表面有减阻的效果。

图10.数值模拟的剩余曲线

图11.墙壁的切应力轮廓

图12.单个微表面的切应力轮廓

图13特点的流场横截面轮廓

图14.光滑表面的速度矢量和这个在流场方向中的真实鲨鱼皮表面

图15.单个微表面的速度

图16.微表面上的回流

3.2速度场的分析

在流场的不同部分，速度的形式是不一样的。如图13所示，一个特定的流场横截面的轮廓，在图14中，是一个在光滑表面的速度矢量和这个在流场方向中的真实鲨鱼皮表面，在单个微表面速度如图15所示。如图13所示，当这个平均速度是6米/秒时，由于上表面和下表面的影响，在远离壁面的区域，速度比较大，最大和最小的速度分别大于10 m/s和比0小。在粘性底层的速度的是变化非常快，在壁面表面的速度个摩擦是比较小的，对于单个微表面而言，尖端的速度是非常大的，并且在低端的速度是非常小的，甚至是非常小的，就像回流一样，这样就导致表面的摩擦力减少。在微表面上的回流的图解如如16所示。

3.3湍流强度分析

湍流的强度也许会直接影响流动状态和影响壁面摩擦。一个特定的横截面和单个微表面的湍流强度的轮廓如图17和图18所示。湍流强度在流场的中心大于在其他区域，在光滑表面的湍流强度比微表面低端的湍流强度大，对于单个微表面，如图18所示，在顶端的湍流强度比低端的湍流强度要大很多。理论上而言，湍流强度越大，摩擦力会越大，因此，鲨鱼皮肤表面的摩擦力比光滑表面的摩擦力要小。当流场的平均速度是6 m/s时，最大的湍流强度是在横截面区域的中部，大约是302.65414% - 318.58325%，上表面和下表面的湍流强度分别是31.85948% - 47.788574% 和 0.001281% -

15.9303%。而且，顶端的湍流强度比低端的湍流大。

图17.湍流强度截面轮廓

图18.单个微表面湍流强度截面轮廓

图19.鲨鱼皮表面和光滑表面的最大涡度轮廓

图20.单个微表面鲨鱼皮表面和光滑表面的最大涡度轮廓

3.4涡流分析

当流场的平均速度是6 m/s时，在鲨鱼皮表面和光滑表面的最大涡度的轮廓如图19和图20所示。在光滑表面上，这种强度的取值的范围是624 190.31 l/s - 831 259.19 1/s，在鲨鱼皮表面，顶端的最大值是在3 523 154.5 l/s - 3 730 223.5 1/s范围内，在低端的最小值是2 983.7073 l/s -210 052.58 1/s。在鲨鱼皮表面和光滑表面整体的涡级大小分别是0.3941和0.4653。因此，可以得出由于涡流的发散运动被鲨鱼皮表面的沟槽所限制，减少阻力的结论。

3.5真实鲨鱼皮的减阻效率

在计算领域，当这个平均熟读超过5 m/s，会发生湍流，并且鲨鱼皮表面也可以减阻。根据不同的流动速度，水的不同的流动形式也要考虑进去，在不同的速度下，真实鲨鱼皮的减阻效率的数据得到了，如表1所示。

表一：真实鲨鱼皮的减阻效率

1. 鲨鱼皮的实验

4.1鲨鱼皮的减阻效果

为了验真实证鲨鱼皮表面的减阻效果，这个实验是在空液水洞里面完成的（中国船舶科学研究中心（CSSRC））。在测试系统中的参数如下所示：

（1）测试的液泡水洞是3.2米长和0.8米宽。

（2）这个测试区域的可调流速范围是0 m/s - 20 m/s。

（3）测试区域的中心压力调节范围在8 kPa - 400 kPa范围内。

（4）液泡指数是0.15。

该测试仪器还包括范围是0.1N到300N的电阻的传感器

分辨率，两个A55 DC放大器，采样频率200 kHz的NI-4472 PCI数字采样面板和IBM-PIV的计算机。测试模型的空心椭圆球在前部和空心圆柱在后段采用铝合金LY12。测试模型的圆筒部分的长度500mm和90mm的外径是根据测试系统的应变测量平衡来决定的。空心椭圆球的外径为94mm是为了保证在做完皮肤表面测试后外表面的光滑度。真实鲨鱼皮的表面外尺寸可以通过生物的方法制得，如图21所示。在粘贴的过程中，微槽的方向应与流动的方向是一致的，测试和安装的照片如图22所示。

图21.真实鲨鱼皮表的表面外尺寸

图22.测试和安装

图23.真实鲨鱼皮的数值模拟和真实实验的减阻效率

这个实验是根据液泡水洞测试要求实施的（Q /702J0301-2008）。测试系统的温度是28摄氏度，在实验一个小时之前进行系统脱气，这个系统的流速调节范围从2 m/s

到10 m/s，每个测试的水流速度都将持续上升，直到皮肤被洗掉。真实鲨鱼皮表面的减阻效果如表2所示。

表2：真实鲨鱼皮表面的减阻效果

4.2模拟和实验的结果比对

真实鲨鱼皮表面的数字模拟和真实实验的减阻效率如图23所示。

就像图23所示，结果是非常的相似，从而在一定程度上验证了数字模拟和真实实验的可靠性。以下的几个因素可能会导致偏差：真实的测试是光滑的表皮，真实的鲨鱼皮是由硅橡胶制成的，但是这个模型在数字模拟中是非常严格的，因此这个结果会被不同的硬度影响；除此之外，由于受到整个鲨鱼皮表面的尺寸的限制，测试的光滑表面是由许多个小的表皮粘贴而成的，样品在接缝处会影响减阻效果。

1. 鲨鱼皮表面的减阻机制分析

表3显示出光滑表面和鲨鱼皮表面当流速是5.5 m/s时在流动方向上各种力的参数，就这个表而言，压力和粘性力形成鲨鱼皮表面的摩擦力，这是由微表面的攻角和微型槽产生和影响的。

从光滑表面和鲨鱼皮表面的数据，我们可以得出以下结论：

1. 由微表面的迎角和微型槽的影响，湍流的强度被减少，由于这个背流的影响，粘性力比光滑表面大大减少。
2. 由于微表面迎角的存在，产生了鲨鱼皮表面的压力。然而，总压力（包括压力和粘性力）比光滑表面要少。因此，减少的湍流强度对于减阻而言可以抵消压力带来的阻力效果。此外，当鲨鱼游的非常快时，会释放一种粘液，可以减少阻力，这也是一种比较关键的减阻因素。
3. 结论

在这篇文章当中，通过直接的数字模拟和真实的实验，研究了鲨鱼皮表面减阻效率和减阻机制，主要的结论如下：

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1. 实施了单个生物微表面高精度的扫面方法，并且准确的建立了真实的鲨鱼皮三维模型，所以可以得到有说服力的和可靠的结果。
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