基于形态/弹性二元动态耦合仿生功能表面减阻研究

水生生物在流体介质运动中，皮肤弹性可根据流体载荷发生动态变化，并与皮下组织特有的非光滑结构形成动态耦合形成具有特定减阻功能的表面。本研究旨在通过上述生物耦合现象，掌握生物体表形态/弹性二元生物耦合与流体阻力之间的动态规律；提出动态耦合功能表面主动减阻设计新思想；依据仿生学相似原理，构建形态/弹性二元动态耦合仿生功能表面；该功能表面由不同属性的双层材料构成，利用表面膜材料的弹性变形以及表面膜材料与基底材料表面上仿生非光滑结构的动态耦合，对流体介质进行主动控制，实现减阻功能；并以典型流体介质中工作的机械部件为研究载体，以增效、减阻为研究目标，采用试验优化设计优化二元动态耦合仿生功能表面结构参数；通过流固耦合技术探索动态耦合仿生功能表面减阻机理，为获取"低能耗、高效率"的耦合仿生功能表面设计制造理论体系奠定基础，为实现流体机械部件在较为宽泛的工况下的减阻、增效问题提供新方法。

本项目按照计划任务书的研究内容及目标要求，已经圆满完成。取得研究成果如下：. 1.通过对流体介质中典型生物海豚、马鲛鱼及鳙鱼皮肤研究发现，上述在流体介质中具有较好减阻特性的典型生物的皮肤结构具有重要的相似特征，即与流体介质直接接触的表皮，光滑且弹性十足，与表皮直接相连的真皮组织，具有一定的硬度，且呈现规律性的非光滑形态，二者可随流体介质的压力进行动态耦合，从而实现对流体介质的动态控制。根据上述研究成果，综合考虑其几何形态、物理结构及构成材料等因素，进行仿生耦合功能表面设计及构建，获得形态/弹性二元动态仿生耦合功能表面物理模型。. 2.采用流固耦合模拟技术及流动显示技术，获得了动态仿生耦合功能表面对流体介质的控制机制。首先：仿生耦合功能表面的弹性变形吸收了部分能量，降低了对流体介质扰动的传播及发展，来流在尾迹处平稳地再附，从而降低尾迹的负压，实现降低压差阻力的目的；其次，仿生耦合功能表面的实际表面位移与流固耦合面分离，降低了流体边界层速度梯度，从而表面摩擦阻力得到降低；第三，仿生耦合功能表面通过弹性变形实现对能量的存储-释放，从而降低了湍动能的耗散，避免了流固交界面能量的过分交换而带来的能量损失，从而达到减阻效果。. 3.以典型流体机械-泵类产品为载体，采用试验优化设计对仿生耦合功能表面进行了优化，并进行了应用研究，研究结果表明，仿生耦合功能表面在不改变泵类产品水力模型的前提下，可有效提高水泵的效率3%~5%。. 通过上述研究,取得成果如下：. 1）已发表密切相关学术论文7篇，其中SCI检索论文3篇，EI检索论文4篇，已录用待发表论文1篇；英文专著（专章）一部，已被89个国家和地区下载超2000次。. 2）申请发明专利3项，其中授权1项；授权实用新型专利1项。. 3）获得具有国际先进水平的吉林省科技鉴定成果1项。. 4）基于本项研究的后续研究，获得国家自然基金面上项目及吉林省科技成果转化项目各1项。. 5）培养硕士研究生2人