仿生沟槽及超疏水表面减阻设计研究

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随着环境污染的日益加重,不可再生资源的日益枯竭,低碳环保可持续发展模式已经成为人类的共同追求的目标。因此,节能减排成为当今社会的热门话题。然而,减小航行体在海洋运动的阻力可以实现上述目的。在诸多减阻领域中,仿生减阻技术具有良好的效果,并且成本低,易实现等优点,成为最热门的研究对象。航行体的减阻就是通过尽可能的降低表面摩擦力。其中具有代表性的有仿生沟槽减阻技术和超疏水表面减阻技术。目前这两项减阻技术已经被应用到船舰、管道运输、体育比赛等其他领域。本论文依据仿生学原理,把仿生减阻的形貌抽象为矩形,来研究沟槽的几何尺寸和来流速度对流体状态和减阻效果的影响。通过采用ANSYS-workbench、ANSYS-ICEM、ANSYS-Fluent软件对其尺寸、网格进行建模、划分和模拟,分析了沟槽的尺寸对流速的速度梯度的影响,并且沟槽对流体压差阻力的影响。结果表明:矩形沟槽使流体产生的滚珠式的涡流,同时降低了流体与壁面之间的速度梯度,进而减小了流体的粘性阻力。但是,由于沟槽的存在流体会对沟槽的前后壁面产生压差阻力,通过模拟发现,当沟槽的宽度为0.1~1mm,高度在大于5mm时沟槽具有减阻作用,最大减阻效果为30%。超疏水表面具有很多优异的性能并广泛应用于工业和人们的生活中,特别是其减阻性能。通过研究发现超疏水表面必须具备以下特点:a具有维纳复合结构,b具有低的表面能,关键是结构的制备。本论文采用电弧喷涂制备超疏水涂层的形貌,并采用十二氟庚基丙基三甲氧基硅烷对其进行低表面修饰,得到最大接触角为151°。采用阻力测试仪对其阻力测试,来探究疏水表面对阻力性能的影响,同时研究不同水压下的减阻效果。
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