用于低阻力应用的鲨鱼纹波纹几何结构的建模和优化外文翻译资料

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用于低阻力应用的鲨鱼纹波纹几何结构的建模和优化

Samuel Martin, Bharat Bhushan

Nanoprobe生物和纳米技术与仿生学实验室（NLBB），俄亥俄州立大学，美国俄亥俄州哥伦布市，第201大街第19大街，43210-1142

图形概要

文章信息

文章历史：
收到2016年3月29日接受2016年4月13日在线提供2016年4月1日

关键词：防污、摩擦阻力、低阻力、有肋、鲨鱼皮。

摘要

快速游泳的鲨鱼与微沟槽在流体流动方向上具有沟槽。沟槽会导致水在表面上有效移动。在之前的实验和模型研究中，已经表明，肋条通过提升在湍流中形成的旋涡减小总体剪切应力来提供减阻。与平坦表面相比，内脏减少了10％。存在叶片肋的建模数据表明了阻力和涡旋结构的作用。但是，其他各种几何形状尚未建模。为了优化用于低阻力的肋形几何形状，对三种不同的几何形状进行建模，并比较它们的阻力特性和涡结构。此外，将鲨鱼风格的几何图案以鳞片图案排列，将鲨鱼鳞片与这些肋条图案进行比较。通过这项工作，确定了最佳的肋形几何形状和尺寸。更好地理解拖曳设计可以在运输，医疗和工业应用中制造减阻表面。取决于组件的规模，可以设计肋条特征从微米到纳米级。

2016 Elsevier Inc.保留所有权利。

目录

1. 介绍 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207
   1. 低阻力和防污灵感. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
   2. 实验和建模研究. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . .. . . . . . .207
   3. 目标 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
2. 模拟方法. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

2.1 差价合约计划 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .210

2.2 模型设置 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

2.3 空间离散化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211

2.4 Riblet模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .212

3.结果与讨论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

4.结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214

感谢 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215

参考. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

1.介绍

研究人员常常将自然的灵感转化为新颖的工程设计，以解决科学难题。大自然提供创造性的解决方案，以有效的方式使用公共资源以求生存通过这些巧妙的解决方案，可以制造灵感设计以形成新的创新[4,6]。研究人员试图解决的两个技术难题包括运输，医疗和工业领域上的阻力和污染[7,9,12]。需要低阻力属性的例子包括车辆，飞机或船舶以降低油耗[2,5,49]。据估计，世界贸易中有90％是由国际航运业承载的，2010年有超过84亿吨的货物[25]，其中70-90％的油轮和散装货车的动力损失[45]。 2014年，美国国内和国际航空飞机旅行里程超过860亿美元[46]。另一个主要的低阻力应用包括需要大量泵送能量和流量的管道[19,28]。 2014年，美国有超过210万英里的天然气配送管道和60,000英里的石油管道[47]。


需要表面防污性能的例子包括船舶和其他水下表面，其中生物污损是常见问题。 0.1 mm的生物膜厚度增加了5-15％的摩擦阻力[15]，1 mm的生物膜厚度增加了80％的摩擦阻力[24]。在医疗领域，需要防污的表面包括假肢，生物传感器和导管，生物膜导致超过45％的医院感染[14,33]。工业应用包括发电站，水处理系统和食品包装设施[14,43]。


1.1.低阻力和防污灵感

快速游动鲨鱼的皮肤具有低阻力和防污性能[2,9,10,13,18,40]。这些特性使鲨鱼能够利用低能量输入在水中快速移动，并保持表面无生物污染。在湍流中，产生沿流动方向沿轴线旋转的流向涡，从而增加横向剪切应力和阻力。快速游动的鲨鱼的低阻力和防污特性是由于它们称为皮肤齿垢（小皮肤牙齿）的表面特征，它可以提升涡旋，减小横向剪切应力和阻力。这些鱼鳞具有平行于流体流动排列的肋（微观凹槽）。在图1中，展示了Mako和Spiny鲨鱼以显示其真皮细齿之间的差异。 Mako鲨鱼每个鱼鳞有五个涟漪，光照间隙不大，鳞片间没有偏移，而Spiny鲨鱼每个鱼鳞有三个涟漪，刻度间有间距和偏移。另外，其他鲨鱼可以具有不同的皮肤齿垢几何形状，其形状甚至可以取决于鲨鱼的位置。然而，对于大多数鲨鱼来说，鱼鳞的尺寸一般为0.2-0.5毫米，间距为30-100微米[40,27]。

由于涟漪尺寸的可扩展性，在鲨鱼皮中发现的低阻力和防污性能具有广泛的应用。取决于应用，通过选择足够的肋条尺寸，，内脏的设计可以从纳米级到宏观，这些外表在运输，医疗和工业领域有很多应用。

1.2. 实验和建模研究

目前已经进行了实验和模型研究以研究减阻机制和肋条尺寸。 在使用连续锯齿波纹的闭合通道实验中，Walsh [48]和Rohr等人[ [42]分别在水中减少了8％，在空气中减少了9％。 Bechert等人在明渠流动中使用了所谓的柏林油道。 [2]研究了连续的锯齿形，扇形和叶片几何形状。他们显示叶片几何形状最大减阻率为10％，其次是扇形和锯齿形，分别为7％和5％。通过对连续锯齿几何形状的建模，Chu和Karniadakis [17]，Choi et al。 [16]和Goldstein等。 [23]显示减阻3-6％。在明渠流动实验中，Lee和Lee [32]使用烟雾流动可视化技术，将橄榄油在空气中雾化，以显示与平坦表面相比，在一个肋条表面上提升旋涡。使用连续或分段叶片肋的实验技术[3,9,10,21]和连续或分段，叶片或锯齿肋的模拟技术[20,35,36,37]进行了更多的研究，结果表明了类似的减阻效果。使用实验技术，研究了刚性真皮小齿[27]和由肋条组成的柔性真皮小齿，显示了在平坦表面上的减阻[31,39,50]。测量了鲨鱼皮表面的压降，结果显示减阻量为30％[27]。游泳速度增加12％时，用一个灵活的皮肤齿状表面测量，由铜鲨鱼Carcharhinus brachyurus在类似的柔软表面上复制，没有皮肤细齿[39]。移动真皮细齿显示控制流动分离，从而减少压力阻力和提高机动性[31]。通过在柔性结构上改变齿状图案和间距，与平坦表面相比，交错重叠的真皮齿状几何结构提供的游泳速度提高了20％以上[50]

图1.在两个放大倍数下显示的鲨鱼皮样品的扫描电子显微镜（SEM）显微照片。实际的Mako（上）（改编自[8]）和副本刺鱼（底部）（改编自[27]）。 这个Mako鲨鱼有几乎没有间隙且没有偏移的肋条，而这个Spiny Dogfish在这些沟槽之间有间隙和偏移。

为了比较各种各样的肋条设计，研究人员通常使用无尺寸的肋条几何

和表示无量纲参数与上标 [2,48]。 在等式 （1）中，肋间距s是微槽之间的尺寸距离，vs是壁面剪切应力速度，s0是壁面剪切应力，q是流体密度，m是流体的运动粘度。 壁剪切应力速度是通过s0 = qv2s的动能得出的。 类似地，使用[9]可以无缝地确定肋条的高度和厚度，

hthorn; frac14; hvs=m eth;3THORN; tthorn; frac14; tvs=m eth;4THORN;

通过各种实验和建模方法来研究肋骨，减阻机理已得到更好的理解。 当涟漪提升湍流形成的横向涡旋产生横向剪切应力时，就会产生减阻机制。 流向涡称为大致圆柱形的涡流，其沿主流方向行进并沿流动方向的轴线旋转。 表1给出了流向涡数据的总结，其中平均涡流直径范围从30到40个无量纲单位[11,29,30,36,41]，平均涡流长度范围从100到200个无量纲单位[34,36]。 平均涡旋直径取决于雷诺数，雷诺数范围为2500-13,000 [36]，范围为20-45个无量纲单位。

表格1
圆柱几何流向涡数据综述

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