【論文精選】形態(tài)/材料耦合仿生功能表面減阻特性及機(jī)制

2016-12-21 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)》2015年第31卷第13期刊載了由吉林大學(xué)的作者田麗梅、可慶朋、金娥、李子源、王銀慈和胡彥冰合作完成的研究成果——“形態(tài)/材料耦合仿生功能表面減阻特性及機(jī)制”。

模仿自然界中特有的生物現(xiàn)象,可以有效解決工程上遇到的復(fù)雜問(wèn)題。最具代表性的生物當(dāng)屬海豚,海豚皮膚特殊的結(jié)構(gòu)對(duì)減阻特性具有較大影響。受這種特殊皮膚結(jié)構(gòu)的啟發(fā),吉林大學(xué)模仿海豚皮膚的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了形態(tài)/材料二因素耦合仿生功能表面,并將其應(yīng)用到了典型流體機(jī)械-泵類產(chǎn)品上,使水泵效率提高了3%~5%。然而由于試驗(yàn)設(shè)備和條件的限制,對(duì)于形態(tài)/材料二因素耦合仿生功能表面是如何提高減阻效果的細(xì)致探索比較困難,因此,這項(xiàng)研究基于流固耦合的基本理論,在ANSYS-Workbench平臺(tái)下,利用雙向流固耦合模擬手段,針對(duì)耦合仿生功能表面不同面層材料屬性和不同仿生形態(tài)間距對(duì)流體阻力的影響,揭示上述耦合仿生功能表面的減阻特性及減阻機(jī)制。

根據(jù)仿生學(xué)相似原理,基于海豚特殊的皮膚結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)的形態(tài)/材料仿生功能表面主要由軟硬2種不同的材料構(gòu)成(材料因素),基底材料選擇ANSYS-Workbench材料庫(kù)中默認(rèn)的鋼材料,力學(xué)性能參數(shù)已知,其上布置有仿生形態(tài)(形態(tài)因素),面層材料與基底材料之間不考慮其相互之間的運(yùn)動(dòng),故二者之間設(shè)定為固定接觸,在該文中稱之為形態(tài)/材料耦合仿生功能表面。

針對(duì)上述功能表面的面層材料及基底仿生形態(tài)2種耦合因素,各取3種不同的模型,對(duì)其減阻特性進(jìn)行研究。在仿生形態(tài)的間距d = 2 mm時(shí),選取面層材料彈性模量值為2.8×104、2.8×106和5×106 Pa,并分別稱之為模型1、模型2和模型3;固定彈性模量值為E = 5×106 Pa,改變基底仿生形態(tài)之間的間距d值(d值為2、3和4 mm)并分別命名為模型4、模型5和模型6。

模擬結(jié)果表明,仿生形態(tài)間距d = 2 mm時(shí),模型1流固交界面處位移最大,位移變化呈規(guī)律性變形,黏性阻力及總阻力均最小,隨著面層材料彈性模量增大,其變形量逐漸減小,體現(xiàn)了材料與基底仿生形態(tài)動(dòng)態(tài)的耦合,這種動(dòng)態(tài)的耦合是通過(guò)面層材料的柔性與基底仿生形態(tài)的耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)的。流固交界面處平均壁面剪切力和湍動(dòng)能耗散率隨間距d值的增加而增加,d值越大,導(dǎo)致耦合功能表面的壁面剪切力增大,用于壁面剪切力的能量也增加,從而導(dǎo)致湍動(dòng)能耗散率上升,不利于耦合仿生功能表面減阻。上述模擬結(jié)果說(shuō)明耦合仿生功能表面面層材料的彈性模量及其基底仿生形態(tài)的間距,對(duì)其減阻特性影響較大。表面材料的彈性模量越小,耦合仿生功能表面對(duì)流體介質(zhì)的調(diào)控能力越強(qiáng),獲得的總阻力就會(huì)越小。基底仿生形態(tài)的間距可與表面彈性材料的耦合,間接控制面層材料的彈性變量,實(shí)現(xiàn)減阻,因此,基底仿生形態(tài)的間距是優(yōu)化形態(tài)/材料耦合仿生功能表面減阻特性的重要參數(shù)。

形態(tài)/材料耦合仿生功能表面的減阻機(jī)制主要體現(xiàn)在表面材料與基底仿生形態(tài)動(dòng)態(tài)耦合產(chǎn)生的彈性變形使得流固耦合界面與流固實(shí)際接觸面產(chǎn)生分離,從而導(dǎo)致其速度梯度降低,此外其耦合變形產(chǎn)生的彈性變形,降低了流體的湍動(dòng)能,避免了流固交界面能量的過(guò)分交換而帶來(lái)的能量損失,從而實(shí)現(xiàn)減阻。

該項(xiàng)研究對(duì)于放海豚皮膚結(jié)構(gòu)的仿生耦合功能表面對(duì)流體的控制機(jī)制提供了理論依據(jù),為這種仿生耦合功能表面的設(shè)計(jì)、應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

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