[发明专利]一种仿尖吻鲭鲨表面结构的流体减阻结构

说明书

本发明提供一种仿尖吻鲭鲨表面结构的流体减阻结构。本发明涉及工程仿生领域，来源于鲨鱼皮表面覆盖的类似于牙齿或是鳞片的骨骼结构，这些结构上方光滑平整，两边有脊状的突起，下方收缩成颈状。本发明将该小齿结构简化为如下形式：导流头弧、导流中脊、导流侧脊、垂向过渡凹槽、轴向过渡凹槽和连接底板。本发明针对上述微结构模型，结合鲨鱼表皮的结构分布特点，将微结构以不同的方式排列在NACA0020机翼模型上，并与现有传统减阻结构进行了一系列仿真对比。本发明相比传统减阻结构，减阻效果更优。除此以外，本发明为提高实际应用效果还得出了一种较为合理的微结构排列方式，以达到航行器节约燃料、提高航程和速度等一系列实际应用目的。

技术领域

本发明涉及工程仿生技术领域，尤其涉及一种仿尖吻鲭鲨表面结构的流体减阻结构，主要可运用于船舶推进领域。

背景技术

德国的Bechert等学者对V形、矩形等多种沟槽表面进行了实验和分析，发现最高减阻率可达10％左右；德国的Reif等学者认为鲨鱼等海洋生物的表皮有很高研究价值，通过研究发现有纵向条纹薄膜的表面相较于光滑表面拥有更小的表面湍流剪切应力；Dean和Bhushan通过制备仿鲨鱼皮表面结构发现刀刃形的沟槽减阻性能最好，在刀刃高与沟槽宽的比等于0.5以及壁面无滑移的条件下获得了接近10％的减阻率，他们认为，沟槽的作用是抑制流向涡的迁移，减少了涡的猝发和边界层外的湍流强度，另外，沟槽使得流向涡抬升，减少了高速流场的范围，通过修正边界层与外围湍流的速度分布，降低壁面剪切应力。Kramer以与海豚皮有相同特性的材料来制备柔性薄膜，来进行湍流减阻的试验，这种减阻原理是：把壁面改为柔性壁面，能够吸收流体脉动压力产生的能量，使得表面的大部分处于层流状态，延迟边界层向湍流层的转捩，从而达到减阻效果。

现有的V形、矩形等多种沟槽表面对流体具有减阻作用，但是也只能达到10％左右的减阻效果，应用于船舶表面及尾舵来说效果并不是特别明显；柔性壁面具有很强的局限性，它只有在一定范围内的雷诺数下才产生减阻效果，超出指定雷诺数范围，甚至出现增阻现象。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种仿尖吻鲭鲨表面结构的流体减阻结构。本发明采用的技术手段如下：

一种仿尖吻鲭鲨表面结构的流体减阻结构，若干个该结构按照预设排列方式设置于减阻对象上，所述结构包括底部的贴合面以及若干脊部，所述贴合面能够匹配目标物体减阻，所述脊部仿尖吻鲭鲨表面设置，这里以NACA0020机翼为例进行展示。

进一步地，包括导流头弧、导流中脊、导流侧脊、垂向过渡凹槽、轴向过渡凹槽和连接底板，所述导流头弧在主体结构的最前方，与导流中脊、垂向过渡凹槽和导流侧脊相邻，两条导流侧脊分布在主体结构两侧，导流中脊在两个导流侧脊之间，垂向方向上，导流中脊相比导流侧脊略高，从而形成中间高两侧低的结构形式，轴向上，导流中脊相比侧脊略长，从而形成中间长两侧短的结构形式，此外，垂向角度和轴向角度上，导流中脊与导流侧脊之间各分布有两个平滑过渡的凹槽，分别为垂向过渡凹槽和轴向过渡凹槽，主体结构的底部为平滑的连接底板。

进一步地，主体结构关于导流中脊轴向纵截面对称，即导流侧脊、垂向和轴向过渡凹槽都是成对存在的，且完全对称。

进一步地，导流中脊沿弦长方向的长度l_c，导流侧脊沿NACA0020机翼弦长方向的长度l_r，两个导流侧脊尖端之间的距离l_s，导流中脊的高度h₁和导流侧脊的高h₂满足l_c/l_s＝1.3±0.1，l_c/l_r＝1.3±0.1，h₁/h₂＝1.3±0.1，l_c/h₁＝3.1±0.2。

进一步地，该结构均按阵列放置在NACA0020机翼的吸入侧，导流中脊和导流侧脊形成的垂向过渡凹槽的方向与弦长的方向平行。