海洋航行体表面调控与仿生减阻机理

Drag reduction is a useful way to increase speed and cut down energy consumption of marine vehicles. It is very important for energy and national defense. Marine vehicle surface characteristics play an important role in the drag reduction. And bionic design is one of the useful methods for drag reduction. Now, bionic technology focuses on copying the surface structure and mechanical properties of dolphin or shark. While little literatures report the relationship between drag reduction and surface chemical state/skin mucus. This program tries to design some surfaces which exhibit the similar performances like mucilaginous skin. The 3D print, oil- sol etc. will be utilized to synthesize textured lipophilic/hydrophobic surface. Gas jet and heating will be also utilized to maintain the balance of Cassie style. The relationship between surface structure/chemical states and Ec-w, the balance of seawater pressure, surface temperature, surface structure and gas jet pressure under forced Cassie style, the drag reduction mechanism of solid-gas(oil)-water composite interface, will be investigated. Through the studies in this program, some new methods and thinking will be presented for marine vehicle drag reduction.

减少海水阻力是提高海航体速度和降低能耗的有效方法，对能源和军事领域有着重要意义。航行体的表面特征对海水阻力有着重要影响。表面仿生技术是最有效的减阻技术之一，目前研究主要集中在对鲨鱼、海豚等的表面结构和力学特征进行仿制，而关于这些海洋生物表面化学状态、表皮分泌粘液、海水压力对海水阻力的影响报道很少。本项目拟突破传统仿生减阻技术，强调海洋生物游行过程中表皮粘液分泌的特性，从流体和航行体的摩擦应力及实际接触面积出发，利用3D打印、油凝胶等新方法，设计亲油疏水表面降低摩擦切应力，通过外加压力和温度实现强制Cassie态减少固-水实际接触面积。揭示：材料表面结构及化学状态对Cassie态向Wenzal态转化能垒的影响机制；强制Cassie状态下，外界水压、外加气压、温度、表面结构的平衡规律；固-气（油）-水复合界面减阻机理。项目预期将发展几种海航体减阻新方法，为海航体减阻的设计提供新思路。

速度和续航性是决定深海装备性能的重要指标；而降低运行阻力至关重要。通常通过设计装备的外形结构而实现减阻，而在降低装备与水的摩擦阻力方面研究的相对较少。而暴风雪鱼雷、美国“幽灵号”舰艇等，都是通过减少摩擦阻力实现水下超高速和长续航能力运行。基于仿生原理，探索新型微涡流减阻机理，发展新型减阻技术对水下装备的发展具有重要意义。本项目通过3D打印与表面化学修饰等方法，获得了具有不同表面微结构和表面能的材料，并对这些材料表面流场状态进行分析模拟，对表面摩擦阻力进行水洞阻力测试。主要进行了以下几方面研究工作：（1）从分子间作用力角度分析摩擦阻力行为；（2）分子动力学讨论角度分析摩擦阻力行为；（3）材料微涡流减阻机理研究与应用；（4）超疏水减阻；（5）固-油-水复合界面设计及减阻机理；（6）基于受限交替亲疏水结构中空气环的减阻行为研究；（7）剪切增稠液流变学行为研究及其界面减阻表征；（8）柔性壁减阻机理研究；（9）基于微涡流效应的超亲水涂层减阻性能研究。提出了几种减阻的机理：粘附及边界滑移对阻力的影响机制、柔性与织构表面的微涡流减阻效应、固油水复合界面仿生减阻机理。. 对于低航行速度情况下，航体表面主要以层流为主，层流层厚度可达到数厘米，这种情况下，低表面能材料可有效的降低水和航体表面的摩擦阻力；同时毫米尺度的微织构可减缓水流的发散而有效降低阻力。. 对于高航速情况下，航体表面主要以湍流为主，层流层厚度通常小于1mm，这种情况下，航体表面能不是影响航体阻力的关键因素。推迟转捩雷诺点，降低湍流是降低阻力的有效途径。当表面具有织构且尺度小于层流层厚度时，或具有软硬调制结构且周期尺度小于层流厚度时，这些结构可有效吸收或承载部分涡流，降低阻力。. 本项目通过三维编织获得表面微织构，通过调控涂层的交联状态，获得了具有不同柔性的涂层材料，并通过水洞、圆盘实验研究了涂层减阻行为，得到了不同工况条件下，表面性能调控对减阻行为的影响规律。并提出了柔性涂层微涡流自适应吸收效应。在4米长AUV模型上进行了现场拖曳实验，在航行速度为2m/s-4m/s区间内，减阻效果达到10%。