仿生射流表面减阻特性及减阻机理研究

There are major friction resistance on the contace surface and lots of energy will be lost, when there are relative motion between fluid and solid. According to this problem, a new technology has been proposd that is bionic jet surface drag reduction, which is of great significance. We will analyse the jet surface drag reduction mechanisms of the shark's gills, reveal the influence factors of jet surface drag reduction, then establish the influence law between influence factors and drag reduction effect, and establish bionic jet surface drag reduction model; research the influence law between single factor an drag reduction effect in all the facotrs, and the influence law between many facotrs, then establish the mathematical model of many factors coupling drag reduction characteristics; study the energy conservation effect of bionic jet surface and the effect on system resistance of the bionic jet supply form, develop the supply strategy of bionic jet form, then estabish the bionic jet surface drag reduction system; research the bionic jet surface drag reduction mechanism on many factors coupling, propose a law that the bionic jet surface drag reduction is according change the relevant jet factors to affect area flow field, reveal the physical significance of the process that each influence factor restrict the jet surface drag reduction; analyse the distribution regularity of flow field under drag reduction state, then study the best drag reduction state of bionic jet surface.

针对流体、固体之间做相对运动时，在接触界面存在较大的摩擦阻力、需要消耗大量能量这一问题，提出了仿生射流表面这一全新的减阻技术，该技术对于节约能源具有重要意义。本项目将研究分析鲨鱼鳃部射流表面减阻机理，揭示影响鲨鱼鳃部射流表面减阻效果的各个影响因素，建立各个影响因素与减阻效果间的影响规律，并建立仿生射流表面模型；研究射流表面影响因素中单因素与减阻效果的影响规律，以及多因素之间耦合情况对减阻效果的影响规律，建立多因素耦合减阻特性数学模型；研究仿生射流表面节能效果及仿生射流供给方式对系统阻力的影响，研制仿生射流表面供给方式供给策略，建立仿生射流表面减阻系统；研究多因素耦合情况下仿生射流表面减阻机理，提出仿生射流表面减阻是通过改变射流相关因素进而影响区域流场来实现的这一规律，揭示各个影响因素制约射流表面减阻过程所对应的物理意义；分析减阻状态下的特征流场分布规律，研究最佳的仿生射流表面减阻状态。

近年来，节能减排已成为大势所趋，其中摩擦阻力是主要的耗能来源，所以研究减阻意义十分的重大。受鲨鱼呼吸过程中鳃部射流特性的启发，提出了一种用于减小流体与固体壁面间摩擦阻力的方法---仿生射流减阻技术，对于节约能源具有重要意义。.通过解剖法获取鲨鱼鳃部试样，对鲨鱼鳃部表面形貌预处理获得鲨鱼鳃部表面模型；对其进行合理简化，获取了鲨鱼鳃部表面及外形结构等数据；运用三维扫描控制系统采集、复制，建立了鲨鱼鳃部仿生射流表面结构模型。针对仿生射流表面特征，研发了仿生射流表面减阻测试实验平台，开发了数据采集系；通过仿生射流表面减阻测试实验平台的设计、加工、制造以及调试，对仿生射流表面减阻特性进行了研究，结果表明：流速比是影响减阻效果的重要因素。研究了射流角度、射流孔形状、射流孔尺寸、射流速度大小以及射流表面外形结构等单因素以及多因素耦合作用对减阻效果的影响，给出了仿生射流表面减阻率计算公式，采用数值模拟方法，确定了在外部流场速度3m/s、折线形射流孔减阻效果最好，且射流孔径为4mm，射流角度为30°，外部流场速度为30m/s，射流速度为5m/s时射流表面的减阻效果最好，最大减阻率为9.51%。通过数值模拟及理论分析的方法，得到仿生射流表面对壁面的摩擦阻力以及压差阻力的影响规律，采用对比分析的方法，评价仿生射流表面的节能效果。以仿生射流表面对速度场、压力场、边界层厚度等流场参数对仿生射流减阻特性进行理论分析，揭示仿生射流表面减阻机理，建立、发展仿生射流表面减阻理论。. 经过本项目相关人员的共同努力，该项目取得了重要的进展，突破了减阻技术的应用瓶颈，为我国在流体减阻技术水平提供了很好的理论基础和技术支持。. 该项目执行期间，申报国家发明专利12项（已授权12项），共发表学术论文20篇，SCI检索6篇，EI检索14篇；研制小型射流减阻实验平台一套；参加国际国内学术会议9次。