基于贝壳表面微结构仿生的船舶防污减阻协同效应研究

Antifouling and drag reduction of ships are two critical issues of great interest to the shipping industry, and thus advanced technologies in these areas are in great demand. This project will adopt a breakthrough research approach by bringing the existing isolated studies of antifouling and active drag reduction technologies together. We will take shell as a biomimetic object, analyse the drag reduction feature of its surface microstructures over the range of antifouling scales, and determine the scale range for both antifouling and drag reduction. Based on the attachment point theory and fluid dynamics principles and through combined theoretical analysis, numerical simulation and experimental investigation, the mechanism of synergistic antifouling and drag reduction effects of shell surfaces will be described. The outcome of this research will provide a guide for the optimization of the characteristic parameters of synergy surfaces for antifouling and drag reduction. In this project, biomimetic surfaces will be prepared using three methods, namely, bio-replicated forming method, composite processing technology and rheological coating for surface texture. For the purpose of testing the antifouling and drag reduction performance of the synergy surfaces, the existing adhesion experimental platform of the marine fouling organisms' laboratory and a towing tank facility will be used. Ultimately the project will lead to an engineering surface that is antifouling in static environments and reduces drag in moving water, and thus contribute to energy savings and emission reduction of green ships.

舶舶防污与减阻是航运界多年来未解决的瓶颈技术问题，本项目针对船舶防污、减阻的重大需求，突破现有的防污和主动减阻技术的单一研究，以贝壳为仿生对象，在防污尺度范围内仿真分析其表面微结构的减阻效应，研究集防污与减阻一体化的表面微结构的尺度范围；基于附着点理论和流体动力学理论，结合理论分析、数值模拟以及试验研究，阐释材料表面微结构防污、减阻协同作用机理，指导防污、减阻特性参数的设计与优化；采用生物复制成形，复合加工技术以及表面织构流变涂料等3种方法制备防污、减阻协同作用仿生表面；采用海洋污损生物实验室附着检测实验平台，结合浅海挂板实验，检测设计的仿生表面的防污能力，采用流体动力学试验测试分析其减阻性能。以期使模拟船体表面运行特点的仿生表面达到静态不粘附，动态又减阻的良好效果，为绿色船舶的节能降耗做出贡献。

舶舶防污与减阻已成为提升船舶运输能效的关键科学问题，目前为止还没有形成防污、减阻的有效应用技术，对舶舶防污和减阻的研究一直是分开进行的，防污与减阻两种技术分别使用时由于所考虑的重点不同，面临着不可调和的技术难题。本项目突破了现有的防污和主动减阻技术的单一研究，利用仿生表面微结构同时实现防污和主动减阻，构建了仿生防污减阻一体化技术。项目以贝壳为研究对象，提出以贝壳表面肋间距Wp、槽间距Wv、槽深H、肋弧度Rp、槽弧度Rv、深宽比Rsk、槽左右高度比Rpvp、肋左右比Rvpv以及肋上下比Rprh等9种参数来表征贝壳表面形貌，建立了贝壳表面三维形貌参数评价体系，并在贝壳表面防污尺度范围内仿真分析了表面微结构的减阻效应，获得了集防污与减阻一体化的表面微结构的尺度范围，探讨了材料表面微结构防污、减阻作用机理；将船体表面污损程度分成三级，建立仿真模型，仿真分析与试验相结合，探讨了污损生物附着严重程度对船舶阻力的影响状况；采用反应离子刻蚀（RIE）在不锈钢和硅板表面制备了防污减阻协同作用仿生表面，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为阴模材料，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和有机硅改性丙烯酸酯(SMAR）分别为阳模材料，采用生物复制成型方法制备出仿生微结构表面，确定了防污减阻协同效应仿生表面的制备工艺；结合实验室抗菌性能和抗硅藻附着性能测试方法，对仿生微结构表面的防污性能进行了评价，研制了实验室快速减阻性能评价装置，对仿生微结构表面的减阻性能进行了测试，构建了防污减阻性能的实验室快速评价方法，获得了具有防污减阻协同作用的仿生微结构表面，为解决防污、减阻两种技术分别使用时面临的技术难题提供了一体化的新思路。