水下减阻抗污损对水下航行体的速度和能耗有着重要影响,直接关系到水下航行体的运行效率以及是否起到节能减排的作用。应用仿生学原理,在水下航行体表面设计并加工仿生沟槽结构,是实现减阻及抗污损的一种重要手段。针对目前研究中所设计的仿生减阻沟槽存在结构单一、减阻效果不理想、无法实现加工以及并未在实际实验中验证等问题,本文以海豚皮肤脊、蚊子口器等结构为基本减阻元,设计出水下仿生减阻抗污损新型微纳组合结构,并应用流体仿真软件对仿生结构尺寸参数进行优化。以316L不锈钢鱼镖为研究对象,利用光纤激光在其表面加工出所设计的新型仿生复合微纳结构,通过水下实验研究其减阻抗污损性能。(1)根据仿生学理论的要求,为提升鱼镖水下减阻抗污损性能,本文采用无量纲法以及卡门涡街等理论,设计横向沟槽、纵向沟槽、锯齿结构等一系列微结构减阻元,并按照周期排列、周期递进排列,准周期排列等方式将减阻元分布在鱼镖模型表面,从而设计出一种新型的仿生复合微纳结构,实现良好的减阻抗污损效果。(2)利用雷诺时均法进行数值模拟,对仿生复合微纳结构在理想状态下进行水下模拟仿真,通过流场速度、流场压力、湍动能和表面剪切应力等分析,确定并优化出鱼镖模型表面沟槽结构的分布部位及尺寸参数。排列分布结果为:在鱼镖首部采用锯齿结构和递进排列的横向沟槽结构;在首部与身部过渡部分采用锯齿结构;身部采用周期排列的横向沟槽结构;尾部采用周期排列的纵向沟槽结构。在沟槽宽度为380μm,深度为100μm,间距为0μm时,相对于光滑表面的摩擦阻力系数减少,减阻效果达到89.49%。(3)利用光纤激光在316L平板上加工出所设计的仿生微纳结构并进行表面抗污损性能实验研究,实验结果表明:当沟槽宽度为340μm、深度为80μm、间距为0μm时,接触角为169°,表面疏水性最好,润湿效果差,能够减小海洋污损生物的附着面积,具有良好的抗污损性;并且在水润滑状态下的表面摩擦系数为0.2,减阻效果良好。(4)以鱼镖为研究对象,在其表面加工出新型仿生微纳结构,利用改装设计的发射装置进行水下射击实验,通过不同沟槽尺寸参数下鱼镖的水下运行距离的差异对模拟仿真得到的沟槽尺寸参数以及平板实验验证得到的尺寸参数继续进行验证及优化。优化结果为:在沟槽宽度为380μm,深度为100μm,间距为45μm时,减阻效果可达43.20%。结果表明:在射击实验过程中存在空气阻力、鱼镖与发射装置之间的摩擦力等外界非理想因素,模拟环境中求出的减阻率与实际实验中得出的减阻效果存在差异,但减阻效果随沟槽尺寸参数变化的规律一致。通过本文设计的仿生复合微纳结构减阻效果良好,润湿性差,可减少生物的粘附性,提高了表面抗污损性能。研究成果为仿生减阻抗污损提供了一定的理论与实践基础,可有效缓解水下航行体在水中由于阻力以及海洋附着物等原因造成的速度慢,航程短,能耗大等问题。