一种仿尖吻鲭鲨表面结构的流体减阻结构

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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：
5.一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。
6.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。
7.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。
8.进一步地，导流中脊沿弦长方向的长度lc，导流侧脊沿naca0020机翼弦长方向的
长度lr，两个导流侧脊尖端之间的距离ls，导流中脊的高度h1和导流侧脊的高h2满足lc/ls＝1.3
±
0.1，lc/lr＝1.3
±
0.1，h1/h2＝1.3
±
0.1，lc/h1＝3.1
±
0.2。
9.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。
10.进一步地，单排小齿之间的无量纲距离为b/lc＝0.335
±
0.03。
11.进一步地，所述小齿为三排设置，相邻排之间的无量纲距离a/lc＝1.525
±
0.1。
12.本发明具有以下优点：
13.以机翼naca0020为载体来验证减阻特性。经过仿真软件模拟计算，一行线性排列的仿生鲨鱼皮小齿结构的减阻率能达到16％，三行线性排列的仿生鲨鱼皮小齿结构的减阻率能达到20％。在小齿结构之间的凹槽底部的流体速度比较小且稳定，所以小齿结构表面的剪应力相对来说比较小，因此所受到的阻力也相对较小，从而能够有效减阻；仿生鲨鱼皮小齿结构具有前突的瓦片型结构，覆盖着的流体较为安静低速，减少了高速流体与低速流体的交换，并且给横向脉动的流体提供缓冲区域，维持了边界层的结构，降低了流体阻力；在仿生结构附近产生的小型漩涡与主向流体会产生对流，从而避免或缓解了主向流体直接对小齿结构造成的冲击，进而有效降低了流体和壁面之间产生的摩擦阻力。
14.本发明涉及船舶推进领域。船舶尾舵会影响其快速性和操纵性，不同特征的尾舵有不同的作用，此仿鲨鱼表面的微结构机翼若运用于船舶尾舵，能够抑制湍流的发展，还能对船舶尾流起到整流的作用，从而在不影响船舶操纵性的前提下提高船舶推进效率；船舶表面形状是影响其阻力的重要因素，若将仿尖吻鲭鲨表面的微结构模型应用于船舶表面，同样能降低湍流的影响，起到类似鲨鱼表皮的减阻效果。微结构能够起到减阻的具体机理为：小齿结构之间存在沟槽，底部的流体流速较为安静平缓，所受的剪切应力较小，而且前突的瓦片型结构能缓冲横向的流体脉动，并在附近产生了细小的漩涡，与主向流体产生对冲，避免了高速流体对壁面的直接冲击，保持了层流边界层结构，减少了壁面与流体之间的摩擦阻力，起到了减阻的作用。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明所研究的尖吻鲭鲨小齿结构示意图。
17.图2为本发明仿鲨鱼小齿微结构示意图。
18.图3为图2的三视图，其中(a)为俯视图；(b)为侧视图；(c)为正视图。
19.图4为本发明实施例中微结构排列及机翼参数示意图。
20.图中：1、导流头弧；2、导流中脊；3、导流侧脊；4、垂向过渡凹槽；5、轴向过渡凹槽；6、连接底板；
具体实施方式
21.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.如图1和2所示，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。
23.如图3所示，该减租结构具体包括导流头弧1、导流中脊2、导流侧脊3、垂向过渡凹槽4、轴向过渡凹槽5和连接底板6，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。
24.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。
25.导流中脊沿弦长方向的长度lc，导流侧脊沿naca0020机翼弦长方向的长度lr，两个导流侧脊尖端之间的距离ls，导流中脊的高度h1和导流侧脊的高h2满足lc/ls＝1.3
±
0.1，lc/lr＝1.3
±
0.1，h1/h2＝1.3
±
0.1，lc/h1＝3.1
±
0.2。
26.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。
27.如图4所示，单排小齿之间的无量纲距离为b/lc＝0.335
±
0.03。
28.所述小齿为三排设置，相邻排之间的无量纲距离a/lc＝1.525
±
0.1。
29.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。