仿生功能表面内流减阻测试系统的研制

引用本文

田丽梅, 王养俊, 李子源, 商延赓. 仿生功能表面内流减阻测试系统的研制. 2017, 47(4): 1179-1184
TIAN Li-mei, WANG Yang-jun, LI Zi-yuan, SHANG Yan-geng. Development of drag-reduction test system of bionic functional surfaces with internal flow. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2017, 47(4): 1179-1184 复制到剪切板

Permissions

仿生功能表面内流减阻测试系统的研制

田丽梅, 王养俊, 李子源, 商延赓

吉林大学工程仿生教育部重点实验室,长春 130022

通讯作者：商延赓(1964-),男,高级工程师,博士.研究方向:仿生功能表面材料设计.E-mail:shangyk@jlu.edu.cn

作者简介:田丽梅(1973-),女,教授,博士生导师.研究方向:仿生功能表面设计及应用.E-mail:lmtian@jlu.edu.cn

基金:国家自然科学基金项目(51475203).

摘要

为测量与研究仿生功能表面在内流管道中的减阻性能,设计了基于压差测试原理的测试系统。针对内流流动的特点,设计的试验段可拆装并能够安装不同厚度的试样做为流场壁面。设计了基于PLC(可编程序控制器)的数据采集处理与控制系统,并对系统精度进行分析,得出了各流速点对应的均方差极限。利用该系统对弹性表面和弹性导热仿生表面减阻进行了测试与研究,结果表明该系统能够对内流流动中的各种仿生功能表面减阻性能进行测试并具有较高的精度。

关键词: 工程仿生学; 仿生功能表面; 减阻; 弹性导热; 测试系统

中图分类号:TB17;O353.5 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2017)04-1179-06

Development of drag-reduction test system of bionic functional surfaces with internal flow

TIAN Li-mei, WANG Yang-jun, LI Zi-yuan, SHANG Yan-geng

Key Laboratory of Bionic Engineering,Ministry of Education,Jilin University, Changchun 130022,China

Abstract

To study and measure the drag-reduction performance of bionic functional surfaces with internal flow, a testing system based on differential pressure measurement was designed. Considering the characteristics of the internal flow, the test section is replacable to adapt to the flow field wall with different thickness. The data acquisition, processing and control system was designed based on programmable logic controller. The system precision was analyzed and the mean square errors of different flow velocities were calculated. The elastic silicone rubber and elastic thermal conductive bionic surface was tested using this system. The system can provide a high accuracy analysis and test platform for the study of drag-reduction performance of various bionic functional surfaces with internal flow.

Keyword: bionic engineering; bionic functional surface; drag-reduction; elastic thermal conductive; test system

Show Figures

0 引言

从飞行和游动生物身上寻求流体减阻降噪方法是一种行之有效的途径^{[1, 2, 3]}。准确地评价这些减阻方法的效果是进行流体仿生减阻机制研究的基础。自从Kramer^[4]受海豚柔性皮肤启发并提出柔顺壁减阻法以来, 研究人员对柔弹性壁减阻进行了大量实验研究^{[5, 6]}, 其中包括水池拖拽试验^[7]、旋转黏度计法^{[8, 9]}和循环水槽模型试验^{[10, 11]}。这些试验均是考察柔弹性表面与外流场的相互作用。但在工程中常见的流体管道输送中, 流体的流动属于内流, 而目前却没有针对内流中柔弹性仿生表面进行研究的实验装置。由于柔弹性表面应用于内流时构成流场壁面, 而现有的流动水洞由于结构局限^{[12, 13, 14]}(与风洞类似^{[15, 16]}), 只适用于研究外流流动, 不便直接用于研究内流流动。季曙明^[17]设计的针对超疏水表面的圆管流动减阻实验装置, 其试验段是每次试验均需更换的封闭圆管, 不便于对管壁形态进行加工, 只适用于特定方法处理得到的超疏水表面进行研究。

Bandyopadhyay等^[18]的研究表明, 由黏弹性材料制成的弹性壁在使用一段时间后, 由于发生老化将会影响其减阻性能。Tian等^[19]将弹性仿生表面应用于离心式水泵叶轮时也发现了在仿生水泵长期运行后, 叶轮表面弹性面层发生了明显老化, 分析认为是由于流体介质不断地作用于弹性表面, 导致其变形产生的热量无法传递出去, 堆积的热量造成了弹性壁面的老化, 为了解决这个问题, 设计了一种以低模量硅橡胶为基体, 高导热率的石墨烯为填料的弹性导热仿生表面, 这种表面兼具低弹性模量与高导热率^[20]。弹性导热仿生表面在流体介质的作用下会产生形变来降低流动阻力, 并能将这部分形变产生的热量快速传递出去。这种表面的减阻作用是由多种因素耦合而成的, 这对实验装置提出了更高的要求。

因此, 设计一种能够研究仿生功能表面应用于内流流动时的减阻机制的实验装置是很有必要的。本文以弹性导热仿生表面的研究为目标, 设计并研制了一种具有广泛应用范围的测试系统, 并对弹性硅胶和弹性导热仿生表面的减阻进行了初步测试研究。

1 系统设计

1.1 测试原理

对于不可压缩黏性流体的管道流动, 能量耗散主要来源于流体内部的黏性耗散, 并可由水头损失来表示。水头损失可根据水头形式的伯努利方程(1)求得:

$\begin{matrix} \frac{V_{in}^{2}}{2 g} + z_{in} + \frac{P_{in}}{ρg} = \frac{V_{out}^{2}}{2 g} + z_{out} + \frac{P_{out}}{ρg} + h_{L} (1) \end{matrix}$

对于水平放置的直管内的定常流动, 式(1)可简化为:

$\begin{matrix} h_{L} = \frac{P_{in} - P_{out}}{ρg} = \frac{ΔP}{ρg} (2) \end{matrix}$

式中:V_in为管道入口流速; V_out为管道出口流速; z_in为入口高度; z_out为出口高度; P_in为入口压力; P_out为出口压力; h_L为水头损失。

通过测量流体流经不同壁面管道两端的压力差, 可以直观地表示不同壁面的减阻能力。本文通过比较仿生表面与刚性壁面的压力差来评价仿生表面的减阻能力。仿生表面的减阻率可由式(3)确定:

$\begin{matrix} η = \frac{Δ P_{仿生} - Δ P_{刚性}}{Δ P_{刚性}} \times 100 % (3) \end{matrix}$

式中:Δ P_仿生为仿生壁面管道压差; Δ P_刚性为刚性壁面管道压差。

1.2 结构与水力设计

如图1所示, 测试系统由水泵、水箱、入口稳流段、试验段经水管连接构成水循环系统。通过差压变送器测量试验段两端的压差。所有数据汇集到电气控制箱内, 人机交互通过可编程触摸显示屏实现。水泵选用GRUNDFOS CM10-2型离心泵, 额定流量为10 m³, 额定扬程为27.1 m。水泵流量由电磁流量计、变频器、PLC(可编程序控制器)构成的闭环回路精确控制。试验段长l=500 mm, 截面为a× b=30 mm× 50 mm的矩形, 试样安装在试验段下壁。可安装的试样为长为500 mm、宽为50 mm矩形薄片, 最大厚度为5 mm。

	Figure Option View Download New Window
	图1 测试系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of test system structure

为了消除管道入口流动波动对测量精度的影响, 在试验段前设置了具有相同截面形状与尺寸的入口稳流段, 入口稳流段位置固定。当测试不同厚度的试样时, 通过调节上(下)盖板调节螺钉和上(下)盖板限位螺钉保证测试段截面不变, 并且使试验段与入口稳流段接口处壁面在同一平面上, 不产生局部扰动。测试段结构如图2所示。

	Figure Option View Download New Window
	图2 测试段截面结构Fig.2 Cross section structure of test section

弹性仿生表面的减阻作用是依靠弹性变形控制流体来实现的。对于管道层流, 不存在垂直于流速方向的速度分量。与层流不同, 湍流流动中每个流体质点均在宏观尺度和时间上做随机运动, 所以不单有平行于宏观流速方向的速度分量, 并且存在垂直于宏观速度方向的速度分量, 也就是说只有在湍流中弹性仿生表面才能发生规律形变, 具有减阻作用。因此, 为了适应对弹性仿生表面的测量, 试验段应能够提供具有较大雷诺数的湍流流动。矩形管道内流动的雷诺数Re由式(4)(5)确定:

$Re = \frac{ρV d_{H}}{μ} (4)$

$\begin{matrix} \begin{matrix} d_{H} = \frac{2 ab}{a + b} (5) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} ρ \end{matrix}$ 为流体(水)密度, 20 ℃条件下为998.2 kg/m³; $\begin{matrix} V \end{matrix}$ 为管内流速; d_H为水力直径; $\begin{matrix} μ \end{matrix}$ 为流体(水)动力黏度, 20 ℃条件下为1.005× 10^-3 Pa· s。

测试系统(见图3)设计最大流速为1.5 m/s, 经计算, 试验段最大雷诺数为5.58× 10⁴, 雷诺数大于4000, 表明测试系统试验段内部的流动状态为湍流, 符合测试要求。

	Figure Option View Download New Window
	图3 测试系统照片Fig.3 Practicality photo of testing system

1.3 传感器与控制系统

为了选择合适的差压变送器, 需要先对试验段的最大压差进行估计。试验段的水头损失可由达西公式求得, 根据达西公式(6)及弹性表面的减阻机理可知, 当管壁为刚性壁、流速为1.5 m/s时试验段压差最大。

$\begin{matrix} h_{L} = λ \frac{l}{d_{H}} \frac{V^{2}}{2 g} (6) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} λ \end{matrix}$ 为达西摩擦因子, 可根据穆迪图求得。试验段透光板为有机玻璃材料, 上下盖板为商用钢, 由于上下盖板的面积比透光板的面积大, 并为了保险起见, 等效粗糙度按商用钢计算。求得h_L=0.0975 m, 由式(2)可求得Δ P=954 Pa。因此选择量程为0~1300 Pa、准确度为0.1%的电容式差压变送器来测量试验段压差。

差压变送器水平安装, 通过导压管将试验段两端压力通入传感器高低两压力室, 作用在敏感元件的两隔离膜片上, 通过隔离膜片和敏感元件之间的填充液传递到预先张紧的测量膜片两侧, 测量膜片与两侧的电极各组成一个电容器C_H、C_L, 当两侧压力相等时, C_H=C_L; 当两侧压力不一致时, 测量膜片产生与压力差成正比的位移, 此时C_H≠ C_L。通过转换电路将二者电容差转换放大成4~20 mA DC的二线制电流信号输出。其原理可由下式表示:

$\begin{matrix} ΔP = K \frac{C_{H} - C_{L}}{C_{H} + C_{L}} (7) \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} K \end{matrix}$ 为转换系数; C_H为高压侧电容; C_L为低压侧电容。

流量计起到控制水泵流量和检测系统流速的作用。为了避免对管道产生附加的压力损失, 故选择一体式电磁流量计, 设定量程为12 m³/h, 精确度为0.5级。垂直安装在水泵后端, 流量计管径为40 mm, 流量计之前直管长度为300 mm, 之后长度为260 mm。

图4为测试系统电气控制系统原理, 电控单元是测试系统的控制核心, 要求实时准确采集各路传感器信号并进行转换放大等处理, 分别输出信号到变频器控制离心式水泵转速及人机交互终端显示流动状态信息。可编程控制器是电子控制单元的核心部件, 要求具有一定运算能力和高可靠性。选择OMRON 32位PLC CP1E, 具有约200种指令及最快7.9 μ s指令执行时间, 多点输入输出等特点, 可满足系统信号的处理要求。在此基础上设计电源模块(SVK-C)、I/O扩展模块(CP1W-MAD42)等。变频器采用SIEMENS420变频器, 可输出0~550 Hz电流。人机交互模块NB-7W可编程终端, 可与PLC进行连接, 并具备串行、USB连接功能与7 TFT LCD触摸显示屏。

	Figure Option View Download New Window
	图4 控制系统原理框图Fig.4 Principle block diagram of control system

2 系统精度分析

用测试设备对被测对象的物理量进行正确测量时, 所得到的任一次测试数据与该物理量的真值之间, 在合理的置信度下最大可能的误差为该测试设备的精度。测试系统的精度包含准确度与精密度两个方面, 准确度衡量系统误差, 精密度衡量随机误差。由式(3)可知, 本测试系统关注的是不同测试之间结果的差值与标准值间的比例, 而不是单次测试的结果, 所以本系统对精密度的要求要高于准确度, 并且选取的差压变送器准确度为0.1%, 并已经过出厂标定, 足以满足测试要求, 所以不再对准确度进行分析。

由于差压变送器在不同流量下并不是等精度的, 所以选取0.5、0.7、0.9、1.2、1.4 m/s六个测试点在刚性壁面条件下做重复测试, 每个点测试20次, 并用格拉布斯检验法和狄克逊检验法剔除坏值, 用W检验法对上述各子样作正态分布假设检验。计算经过检验的各子样的字样均值E及子样均方差S。其中S由贝塞尔公式计算:

$\begin{matrix} S = \sqrt[]{\overset{n}{\sum_{i = 1}} (X_{i} - E \frac{)}{(} n - 1)} (8) \end{matrix}$

根据式(6)计算出的只是子样的均方差, 母样均方差σ 的(1-α )%的置信区间为:

$\begin{matrix} (\frac{\sqrt[]{n - 1} \cdot S}{\partial l_{\frac{α}{2}}^{2} (n - 1)}, \frac{\sqrt[]{n - 1} \cdot S}{\partial l_{1 - \frac{α}{2}}^{2} (n - 1)}) (9) \end{matrix}$

式中:n是各子样样本总量; $\partial l_{α}^{2} (n)$ 为 $\partial l^{2} (n)$ 分布的上100α 百分位点。当α =5%、n=20时, 式(9)变为(0.76S, 1.46S)。由此可计算出置信度为95%每个测试点母体均方差 $\begin{matrix} σ \end{matrix}$ 的上、下限。

表1 各流速点速度均值及母体均方差上下限 Table 1 Mean value and mean square error matrix with different flow velocity

3 系统测试实例

放置试样前, 在0.5~1.5 m/s流速下测试试验段压差, 取样间隔时间为10 s, 每个流速点待流速稳定后测试5 min, 取样30个, 剔除异常值后求均值, 得出刚性壁面试验段流速-压差关系, 如图5所示。将弹性模量为0.54 MPa、厚度为2 mm的纯硅胶表面安装到试验段, 同样地, 得到硅胶表面试验段的流速-压差曲线。

	Figure Option View Download New Window
	图5 刚性壁面和硅胶壁面流速-压差曲线Fig.5 Curve of velocity and pressure differential of rigid wall and pure silicon rubber surface

由图6可知, 硅胶弹性壁面的压差比刚性壁面小, 在0.9~1.5 m/s流速段内减阻效果更明显。这种减阻效果可能是由壁面弹性引起的, 也可能是壁面粗糙度变化引起的。为了明确其减阻机理, 分别对厚度为1、3、4、5 mm的硅胶表面进行测试, 结果如图6所示, 在0.5 m/s流速下, 当厚度从1 mm增加到2 mm时, 压差有着明显的下降, 之后随着厚度的增加压差趋于稳定, 在1.0 m/s和1.5 m/s流速下, 当厚度从1 mm增加到3 mm时, 压差有明显的下降, 之后随着厚度的增加压差趋于稳定。也就是说当硅胶表面的厚度发生变化而其粗糙度不变时, 其减阻性能仍发生改变。这说明在湍流流动下硅胶壁面的减阻作用主要是靠其弹性产生的, 而不是依靠其表面粗糙度的变化。

	Figure Option View Download New Window
	图6 不同厚度硅胶壁面压差Fig.6 Pressure differential of pure silicon rubber surface with different thickness

在与纯硅胶表面相同的测试条件下, 对文献^[20]制备的弹性导热仿生表面的减阻性能进行测试, 3种试样(a、b、c)的导热率分别为0.24、0.28、0.3 W/(m· K), 厚度均为2 mm。根据测得压差, 利用式(3)计算弹性导热仿生表面和硅胶壁面(导热率为0.2 W/(m· K))的减阻率, 结果如图7所示。由图7可以看出, 弹性导热仿生表面的减阻率均比硅胶壁面的减阻率高, 这是由于前者具有较高的导热系数, 壁面在流体作用下动态变形产生的热量能够传递到流体边界层, 使流体边界层温度升高, 从而降低了其运动黏性而使其减阻率提高。对于具有不同导热系数的弹性导热仿生表面, 其导热率越大, 减阻率越高。这是由于导热系数越大, 热量传递到流体边界层的速度越快而引起的。

	Figure Option View Download New Window
	图7 硅胶壁面和弹性导热仿生表面在不同流速下的减阻率Fig.7 Drag reduction rate of pure silicon rubber surface and elastic thermal conductive bionic surface at different flow velocity

4 结束语

本文综合考虑结构因素、水力条件、控制系统, 设计了适用于管道内流中仿生表面减阻性能研究的测试系统。该系统具有可拆卸、易于安装调整、自动化程度和测试精度高等优点。本系统亦可用于测试研究超疏水表面、低表面能表面、防污表面等仿生功能表面的性能。应用本文系统成功测试分析了弹性硅胶和弹性导热仿生表面的减阻性能, 结果表明:结合适当的试验设计, 本测试系统能够明确定性定量地分析壁面弹性、厚度、导热率等因素对减阻性能的影响, 符合设计要求。本测试系统只对弹性导热防生表面的减阻性能进行了测试, 后续工作中将开展温度检测、微观流速和压强测试, 对其减阻机理进行研究。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

View Option

[1]	陆夕云, 杨基明, 尹协振, 等. 飞行和游动的生物运动力学和仿生技术研究[J]. 中国科学技术大学学报, 2007, 37(10): 1159-1163. Lu Xi-yun, Yang Ji-ming, Yin Xie-zhen, et al. Some studies on biofluiddynamics of flight and swimming animals and biomimetic technology[J]. Journal of University of Science and Technology of China, 2007, 37(10): 1159-1163. [本文引用:1]
[2]	Dean B, Bhushan B. Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow: a review[J]. Philosophical Transactions: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2010, 368(1929): 4775-4806. [本文引用:1]
[3]	Von Gleich A, Pade C, Petschow U, et al. Potentials and Trends in Biomimetics[M]. Beilin: Springer Science & Business Media, 2010: 33-74. [本文引用:1]
[4]	Kramer M O. Boundary layer stabilization by distributed damping[J]. Journal of the American Society for Naval Engineers, 1960, 72(1): 25-34. [本文引用:1]
[5]	Gad-el-Hak M. Compliant coatings for drag reduction[J]. Progress in Aerospace Sciences, 2002, 38(1): 77-99. [本文引用:1]
[6]	Pätzold A, Peltzer I, Nitsche W, et al. Active compliant wall for skin friction reduction[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2013, 44: 87-94. [本文引用:1]
[7]	Gaster M. Is the Dolphin a Red Herring?[M]//Liepmann W H. Turbulence management and relaminarisation. Berlin: Springer, 1988: 285-304. [本文引用:1]
[8]	Colley A J, Thomas P J, Carpenter P W, et al. An experimental study of boundary-layer transition over a rotating, compliant disk[J]. Physics of Fluids, 1999, 11(11): 3340-3352. [本文引用:1]
[9]	张祯华. 以聚氨酯为基质的柔性仿生减阻材料的制备及其减阻性能研究[D]. 广州: 华南理工大学材料科学与工程学院, 2012. Zhang Zhen-hua. The preparation and the drag-reduction properties of compliant and bionic drag-reduction materials using polyurethane as a matrix[D]. Guangzhou: College of Material Sciences and Engineering, South China University of Technology, 2012. [本文引用:1]
[10]	Semenov B N, Amirov A I, Kulik V M, et al. Experimental studies of compliant coatings for reduction of turbulent friction[J]. Thermophysics and Aeromechanics, 2007, 14(1): 133-142. [本文引用:1]
[11]	商延赓, 金娥, 可庆朋, 等. 仿海豚皮肤结构的功能表面提高离心泵效率[J]. 农业工程学报, 2016, 32(7): 72-78. Shang Yan-geng, Jin E, Ke Qing-peng, et al. Efficiency improvement of centrifugal pump with function surface imitating dolphin skin structure[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(7): 72-78. [本文引用:1]
[12]	陈超, 宫武旗, 刘禛, 等. 湍流边界层流动结构研究用低 Re数水洞试验台的设计及测试[J]. 工程热物理学报, 2010, 31(1): 52-54. Chen Chao, Gong Wu-qi, Liu Zhen, et al. Design and test of a recycled water tunnel for investigating turbulence boundary layer flow at low reynolds number[J]. Journal of Engineering Thermophysics, 2010, 31(1): 52-54. [本文引用:1]
[13]	李金成, 陈作钢, 代燚. CFD 在风洞循环水槽设计中的应用[J]. 水动力学研究与进展, 2012, 27(2): 216-223. Li Jin-cheng, Chen Zuo-gang, Dai Yi. CFD application in design of wind tunnel-circulating water channel[J]. Chinese Journal of Hydrodymamics, 2012, 27(2): 216-223. [本文引用:1]
[14]	于昌利. 循环水槽系统设计及参数研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学船舶工程学院, 2009. Yu Chang-li. The system design and parameter study of circulating water channel[D]. Harbin: College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, 2009. [本文引用:1]
[15]	王靖宇, 胡兴军, 李庆臣, 等. 面包车尾部造型对其气动特性的影响[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2011, 41(3): 618-622. Wang Jing-yu, Hu Xing-jun, Li Qing-chen, et al. Influence of tail-end styling on aerodynamic characteristics of minibus[J]. Journal of Jilin University (Engineering of Technology Edition), 2011, 41(3): 618-622. [本文引用:1]
[16]	田丽梅, 商震, 胡国梁, 等. 基于形态仿生的轿车升阻特性的数值模拟[J]. 吉林大学学报: 工学版, 2014, 44(5): 1283-1289. Tian Li-mei, Shang Zhen, Hu Guo-liang, et al. Numerical simulation of the lift and drag characteristics of passenger car based on morphological bionics[J]. Journal of Jilin University (Engineering of Technology Edition), 2014, 44(5): 1283-1289. [本文引用:1]
[17]	季曙明. 超疏水表面宏观尺度下流动减阻机理的实验研究[D]. 上海: 上海交通大学机械与动力工程学院, 2010. Ji Shu-ming. Experimental study about the flowdrag reduction on super-hydrophobic surface at themacroscopic level[D]. Shanghai: School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, 2010. [本文引用:1]
[18]	Band yopadhyay P R, Henoch C, Hrubes J D, et al. Experiments on the effects of aging on compliant coating drag reduction[J]. Physics of Fluids 2005, 17(8): 085104. [本文引用:1]
[19]	Tian L, Jin E, Li Z, et al. The fluid control mechanism of bionic structural heterogeneous composite materials and its potential application in enhancing pump efficiency[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2015, 7(11): 1393-1396. [本文引用:1]
[20]	梅浩然. 弹性导热仿生功能表面制备及流体控制机制研究[D]. 长春: 吉林大学生物与农业工程学院, 2016. Mei Hao-ran. Preparation of elastic thermal conductive bionic functional surface and study of fluid control mechanism[D]. Changchun: College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, 2016. [本文引用:2]

2007

0.0

. 2007, 37(10):1159-1163

Some studies on biofluiddynamics of flight and swimming animals and biomimetic technology

飞行和游动的生物运动力学和仿生技术研究

Lu Xi-yun , Yang Ji-ming , Yin Xie-zhen

陆夕云, 杨基明, 尹协振

... 0 引言从飞行和游动生物身上寻求流体减阻降噪方法是一种行之有效的途径^[1,2,3] ...

2010

0.0

... 0 引言从飞行和游动生物身上寻求流体减阻降噪方法是一种行之有效的途径^[1,2,3] ...

2010

0.0

... 0 引言从飞行和游动生物身上寻求流体减阻降噪方法是一种行之有效的途径^[1,2,3] ...

1960

0.0

... 自从Kramer^[4]受海豚柔性皮肤启发并提出柔顺壁减阻法以来,研究人员对柔弹性壁减阻进行了大量实验研究^[5,6],其中包括水池拖拽试验^[7]、旋转黏度计法^[8,9]和循环水槽模型试验^[10,11] ...

2002

0.0

2013

0.0

1988

0.0

1999

0.0

2012

0.0

. 2012, :-

The preparation and the drag-reduction properties of compliant and bionic drag-reduction materials using polyurethane as a matrix

以聚氨酯为基质的柔性仿生减阻材料的制备及其减阻性能研究[D]

Zhang Zhen-hua.

张祯华

减小运动物体表面与流体之间的摩擦阻力对实现节能减排和提高能源利用率有着重要的意义。游速最快的海洋生物鲨鱼、海豚的皮肤结构为人们提供了非常优异的减阻模板。国内外学者受此启迪开展了仿鲨鱼皮表面的盾甲鳞结构的非光滑表面减阻和仿海洋生物的柔性皮肤特性的柔性壁减阻方面的研究，充分展示了仿生设计与制备对提高运动物体表层材料的减阻效应的巨大潜力与应用前景。本工作根据鲨鱼和海豚皮肤的结构特点，选择性能谱较宽、可设计性和可调控性较强、成型加工性能较好的聚氨酯（PU）弹性体为基材，制备了均质和非均质的柔性PU片材，以及表面构建了仿鲨鱼皮表面微结构的均质和非均质的柔性PU片材；利用自制的旋转式阻力测试仪对所制备的各种PU片材的减阻性能进行了测试，并以转速为398rpm时，不同PU片材试样的减阻率大小来评价减阻性能的优劣，从而研究了柔性PU片材的结构和物理机械性能对减阻性能的影响。具体的研究内容如下：以聚醚型PU预聚体M1、M2以及扩链剂3,3’-二氯-4,4’-二氨基二苯基甲烷（MOCA）和1,4-丁二醇（1,4-BD）为原料，通过浇注法制备了不同厚度和不同性能的均质（单层）柔性PU片材，表征了它们的物理机械性能和减阻性能，分析了片材厚度以及根据力学性能计算而得的反映材料柔性的柔性系数α与减阻性能的关系；在此基础上，设计和制备出非均质（双层）柔性的PU片材S1、S2和S3，测试和分析了其减阻性能，初步探讨了其减阻原理。结果表明，对于厚度在0.5~3.0mm之间的均质（单层）柔性PU片材，厚度约为2.0mm时具有较好的减阻效果；当厚度约为2.0mm的均质PU片材的弹性模量处在5~10MPa之间，柔性系数在1.1附近时，柔性PU片材具有较优的减阻效果，其在转速为398rpm时的减阻率最高可达16.7%；非均质（双层）柔性PU片材S1和S2的两层之间存在明显的界面，与相应的单层柔性PU片材相比，它们的减阻性能没有得到提高；而两层之间没有明显界面的双层柔性PU片材S3则表现出比相应的单层柔性PU片材更好的减阻性能，其在转速为398rpm时减阻率达到了17.0%。这说明在非均质柔性PU片材中，层与层之间的良好过渡是使性能不同的各层充分发挥其作用，从而获得优异的柔性减阻效应的关键之一。进一步地，利用表面微复制法与浇注法相结合的方法，分别在均质和非均质PU片材表面构建仿鲨鱼皮表面微结构，成功地制得了具有鲨鱼皮表面微结构的均质PU片材M1-D-B和M2-D-B，以及非均质PU片材S1-B和S3-B。对它们的减阻性能的测试和分析表明，在转速为398rpm时，具有鲨鱼皮表面微结构的均质柔性PU片材M1-D-B和M2-D-B试样的减阻率分别为16.0%和20.7%；具有鲨鱼皮表面微结构非均质柔性PU片材S1-B和S3-B试样的减阻率分别为7.6%和24.9%。它们的减阻率均高于相应没有鲨鱼皮表面微结构的柔性PU片材。这说明在柔性PU片材表面构建仿鲨鱼皮表面的微结构有助于提高柔性PU片材减阻性能。

2007

0.0

2016

0.0

. 2016, 32(7):72-78 DOI:doi:10.11975/j.issn.1002-6819.2016.07.010

Efficiency improvement of centrifugal pump with function surface imitating dolphin skin structure

仿海豚皮肤结构的功能表面提高离心泵效率

Shang Yan-geng , Jin E , Ke Qing-peng

商延赓, 金娥, 可庆朋

为了提供一种可利用仿生功能表面提高泵类产品效率的方法，该文分别以鲨鱼皮肤及海豚皮肤表面结构为模仿原型，设计了2种仿生功能表面，模仿鲨鱼皮肤结构的功能表面为模型1，仿海豚皮肤结构的功能表面为模型2，并以吉林市奥吉通泵业有限公司生产的200QJ50-26离心式水泵为载体，进行了试验研究。研究结果表明，模型1可提高水泵效率2%～3%，模型2可提高水泵效率5%，且模型2在全流段范围内增效效果显著。利用氢气泡流动显示试验，从流场尾迹再附点及涡距2个方面说明了上述2种模型对流体介质的控制机制。试验结果表明，模型2相比模型1，其尾迹再附点距离降低5 mm，而尾迹涡距距离却增加3 mm。说明模型2的压差阻力得到降低，此外，模型2通过降低涡生成密度及速度的方式降低能量的耗散，其减阻效果更明显。该研究为仿生功能表面在以流体为工作介质的流体机械及在流体介质中运行的交通工具的全面应用提供了参考。

2010

0.0

. 2010, 31(1):52-54

Design and test of a recycled water tunnel for investigating turbulence boundary layer flow at low reynolds number

湍流边界层流动结构研究用低 R e数水洞试验台的设计及测试

Chen Chao , Gong Wu-qi , Liu Zhen

陈超, 宫武旗, 刘禛

Institute of Fluid Machinery, School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

A low Re recycled water tunnel with a 1.5 m-long working section of 0.3 m?0.3 m is designed, manufactured and tested. The contraction section adopts the Witozinsky curve. The velocity in test section can be changed in the range of U1 = 0.2 to 1.0 m/s by a variable-frequency pump. A Laser Doppler Velocimeter (LDV) is used to determine the relation curve between the pump running frequency and the mean velocity and longitudinal turbulence intensity at inlet center of the test section. Furthermore, for a turbulent boundary layer developed from a flat plate placed in the test section, the mean velocity and longitudinal turbulence intensity distribution in normal direction are measured by the LDV, and the low-speed streaks in the buffer layer are investigated with a Particle Image Velocimeter (PIV). The results indicate that the mean velocity in the test section has an approximately linear relation with the pump running frequency. The longitudinal turbulence intensity decreases with increasing velocity, when U1 > 0.7 m/s, the turbulence intensity is less than about 2.6%. A fully developed flat plate turbulent boundary layer flow is obtained in the water tunnel, and its low-speed streaks at buffer layer are studied by PIV.

自行设计制造了一台低Re数循环水洞试验台，收缩段采用维辛斯基(Witozinsky)曲线设计。变频电机调速，试验段流速范围0.2～1.0m/s。用一维LDV系统测量了水洞试验段入口中心处的流速和湍流度随电机频率的变化，和来流速度为Uoo=0.26m/s的平板湍流边界层速度和湍流度分布；并用PIV系统检测边界层内层低速条带结构。试验结果表明，试验段入口湍流度随着流速增大而下降，放置于试验段的平板其边界层已达到充分发展状态，并且检测到其底层低速条带结构，试验台可用于湍流边界层流动结构测试研究。

... 由于柔弹性表面应用于内流时构成流场壁面,而现有的流动水洞由于结构局限^[12,13,14](与风洞类似^[15,16]),只适用于研究外流流动,不便直接用于研究内流流动 ...

2012

0.0

. 2012, 27(2):216-223

CFD application in design of wind tunnel-circulating water channel

CFD 在风洞循环水槽设计中的应用

Li Jin-cheng , Chen Zuo-gang , Dai Yi.

李金成, 陈作钢, 代燚

2009

0.0

. 2009, :- DOI:doi:10.7666/d.y1654521

The system design and parameter study of circulating water channel

循环水槽系统设计及参数研究[D]

Yu Chang-li.

于昌利

只要满足相似理论的要求，很多流体力学的研究都可以在拖曳水池或循坏水槽中进行。相比之下，循环水槽具有投资少，见效快等优点，因此，在船舶、海洋渔业、运动科学等领域得到了广泛的应用。　　本论文结合国内外循环水槽的发展趋势，设计一中型循环水槽，主要将其应用于船舶模型的实验研究。设计在满足设计要求的前提下，充分利用了计算机模拟仿真技术，尽量使所设计的循环水槽工作段流场更为理想。　　论文对整个循环水槽系统的设计作了介绍，并着重研究了循环水槽的一些设计参数对设计结果的影响。完成的主要工作包括：利用FLUENI软件对循环水槽流场...

2011

0.0

. 2011, 41(3):618-622

Influence of tail-end styling on aerodynamic characteristics of minibus

面包车尾部造型对其气动特性的影响

Wang Jing-yu , Hu Xing-jun , Li Qing-chen

王靖宇, 胡兴军, 李庆臣

Taking a simplified model of a home-made minibus that loas verified by tests as the object of study, the factors affecting its aerodynamic characteristics were numerically simulated. The aerodynamic drag and lift were calculated upon the changes of the angle of rear wind window, the angle of the back, and the upward omgle of underbody diffuser, and the relationships among these variables were obtained. The optimal styling achieved by their appropriate combination. The simulation results showed that the above-mentioned 3 angles make notable impact on the aerodynamic characteristics of the minibus, and it is necessary to combine them optimally by numerical simulation and test in the process of development. The obtained conclusions provide a theorezical foundation for the styling optimization and the new model development.

为了研究面包车气动特性的影响因素，以国产某小客车简化模型为研究对象，在对基础模型进行试验验证的基础上，通过数值模拟的方法，计算后风窗角度、背部角度和底部上翘角度改变以后面包车的气动阻力和升力，得到其变化规律，并把各种角度相互组合，得出最佳的尾部造型。模拟结果表明：上述3种因素对面包车的气动特性均有很大的影响，在设计过程中要通过数值模拟和试验的方法确定最佳的角度组合。本文的研究结论可以为面包车的造型优化和新车型开发提供理论依据。

2014

0.0

. 2014, 44(5):1283-1289 DOI:doi:10.7964/jdxbgxb201405010

Numerical simulation of the lift and drag characteristics of passenger car based on morphological bionics

基于形态仿生的轿车升阻特性的数值模拟

Tian Li-mei , Shang Zhen , Hu Guo-liang

田丽梅, 商震, 胡国梁

摘　要：受鱼类利用中央鳍/对鳍对流体介质产生扰动来增加运动稳定性的启发,本文在轿车尾部增加功能类似中央鳍/对鳍的扰流板,称之为方案一;针对其阻力增加,在方案一的基础上,在车后窗及汽车后备箱表面添加棱纹形态仿生功能表面,称之为方案二。利用数值模拟方法,对上述两种方案及原车模型在高速行驶状况下进行仿真分析,结果表明：方案一升力系数由原车的-0.06455降为-0.1516,后轮附着力增加,提高了轿车的操纵稳定性;方案二较好地梳理了尾部气流,延迟了气流的分离,与方案一比较,减阻率达到4.938%。

2010

0.0

. 2010, :-

Experimental study about the flowdrag reduction on super-hydrophobic surface at themacroscopic level

超疏水表面宏观尺度下流动减阻机理的实验研究[D]

Ji Shu-ming.

季曙明

针对超疏水微纳米结构表面在流动减阻方面的应用，本文在国家自然科学基金的资助下(No.50606025)，采用先进的流动实验测量技术，对多种方法制备的疏水和超疏水表面，在不同流态下的减阻机理和减阻规律进行了实验研究。本文的主要工作包括三个方面：(1)超疏水表面制备与润湿特性的研究采用多种方法制备了不同表面结构不同润湿特性的疏水和超疏水表面，使用视频光学接触角测量仪和扫面电镜(SEM)研究了表面结构对表面静态和动态润湿特性的影响，为进一步研究疏水特性对减阻机理和规律的影响奠定了基础。(2)超疏水微纳米结构表面流动的PIV实验研究在一开式...

... 季曙明^[17]设计的针对超疏水表面的圆管流动减阻实验装置,其试验段是每次试验均需更换的封闭圆管,不便于对管壁形态进行加工,只适用于特定方法处理得到的超疏水表面进行研究 ...

2005

0.0

... Bandyopadhyay等^[18]的研究表明,由黏弹性材料制成的弹性壁在使用一段时间后,由于发生老化将会影响其减阻性能 ...

2015

0.0

... Tian等^[19]将弹性仿生表面应用于离心式水泵叶轮时也发现了在仿生水泵长期运行后,叶轮表面弹性面层发生了明显老化,分析认为是由于流体介质不断地作用于弹性表面,导致其变形产生的热量无法传递出去,堆积的热量造成了弹性壁面的老化,为了解决这个问题,设计了一种以低模量硅橡胶为基体,高导热率的石墨烯为填料的弹性导热仿生表面,这种表面兼具低弹性模量与高导热率^[20] ...

2016

0.0

. 2016, :-

Preparation of elastic thermal conductive bionic functional surface and study of fluid control mechanism

弹性导热仿生功能表面制备及流体控制机制研究[D]

Mei Hao-ran.

梅浩然

研究表明,海豚柔弹性皮肤和体表温度可协同稳定湍流、减小边界层流体粘性从而实现流体阻力的降低。受上述现象启发,本文提出构建一种弹性与导热兼备的弹性导热仿生功能表面,该表面以具有较好柔弹性的硅橡胶(SR)为基料,以具有高导热性能的石墨烯片层材料(GPL)为填料,采用共混法制备出3种不同石墨烯含量(含量分别为0.18wt%,0.36wt%,0.72wt%)的弹性导热仿生功能表面,简称GPL/SR弹性导热仿生功能表面,并对上述三种不同石墨烯含量的GPL/SR仿生功能表面进行了TEM、SEM、DSC、DTG表征,结果表明不同石墨烯含量下的GPL/SR与硅橡胶(SR)的DSC曲线相似,都只有一个玻璃化转变温度(Tg),一个结晶熔点(Tm),并且其特征峰十分尖锐明显;含量为0.18wt%的GPL/SR其玻璃化转变温度得到降低,并且随着石墨烯添加量的增加玻璃化转变温度又出现升高,可以说明,在本试验制备的方法下,少量石墨烯的添加和分散性较好的情况下,石墨烯改善了硅橡胶(SR)基料的弹性。石墨烯的添加改善了硅橡胶基料的耐高温老化性,3种含量GPL/SR的初始分解温度相比硅橡胶(SR)的初始分解温度均得到了提高,尤其是石墨烯含量为0.36wt%的GPL/SR提高最为明显,较SR两次初始分解温度分别提高了38℃和59℃。此后,对GPL/SR仿生功能表面与硅橡胶(SR)表面的硬度及抗拉性能进行了对比性研究,研究结果表明:GPL/SR仿生功能表面的硬度及弹性随着石墨烯含量的增加而增大;石墨烯含量为0.18wt%的GPL/SR,由于其良好的分散性能及与硅橡胶基材良好的结合性,使得硅橡胶(SR)弹性变形能力增强,其弹性模量相比硅橡胶(SR)得到降低;GPL/SR仿生功能表面的拉伸强度、抗撕裂强度及断裂伸长率较SR均有提高,且石墨烯含量为0.36wt%的GPL/SR仿生功能表面的抗拉伸和撕裂强度达到了最大值。GPL/SR仿生功能表面与硅橡胶(SR)表面导热性能试验表明,3种GPL/SR仿生功能表面导热性能均得到提高,这是由于导热填料改变硅橡胶(SR)依靠声子传递热量的导热机理,使得GPL/SR仿生功能表面依靠导热填料在其内部形成的导热网链实现热量的传递。石墨烯含量为0.72wt%的GPL/SR仿生功能表面,其导热系数较硅橡胶(SR)提高50%。GPL/SR仿生功能表面存在导热填料添加量的阈值,可通过该阈值获得制备弹性导热仿生功能表面所需石墨烯添加量的最优值。通过本文试验分析,导热性最优GPL/SR仿生功能表面的石墨烯添加量为0.36wt%。通过搭建实验台,测试GPL/SR表面温度-液滴在试样表面流速关系,获得弹性导热仿生功能表面对流体的控制机制。GPL/SR仿生功能表面通过其导热性能,改变流体介质的运动粘性,通过试验结果及分析得出液滴运动速度(阻力)的变化存在一个转折平衡温度临界点;在转折平衡温度临界内,随着加热温度的升高弹性导热仿生功能表面可通过导热性控制液滴粘性降低液滴内部的粘性剪切阻力?b,从而获得液滴运动总阻力F的下降,运动速度增加。超过这个临界平衡转折温度点,随着加热温度的继续升高,液滴表面张力下降,液滴在壁面呈现平铺状,与壁面的接触阻力?a急剧增加,当接触阻力?a的增大值高于粘性降低带来的剪切阻力?b的减小值时,总阻力F为增大,其运动速度减小。

... 在与纯硅胶表面相同的测试条件下,对文献^[20]制备的弹性导热仿生表面的减阻性能进行测试,3种试样(a、b、c)的导热率分别为0 ...