【論文精選】形態(tài)/材料耦合仿生功能表面減阻特性及機制

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

《農(nóng)業(yè)工程學(xué)報》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)用到了典型流體機械-泵類產(chǎn)品上,使水泵效率提高了3%~5%。然而由于試驗設(shè)備和條件的限制,對于形態(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致探索比較困難,因此,這項研究基于流固耦合的基本理論,在ANSYS-Workbench平臺下,利用雙向流固耦合模擬手段,針對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動,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,對其減阻特性進行研究。在仿生形態(tài)的間距d = 2 mm時,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,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)動態(tài)的耦合,這種動態(tài)的耦合是通過面層材料的柔性與基底仿生形態(tài)的耦合來實現(xiàn)的。流固交界面處平均壁面剪切力和湍動能耗散率隨間距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流體介質(zhì)的調(diào)控能力越強,獲得的總阻力就會越小?；追律螒B(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制主要體現(xiàn)在表面材料與基底仿生形態(tài)動態(tài)耦合產(chǎn)生的彈性變形使得流固耦合界面與流固實際接觸面產(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,降低了流體的湍動能,避免了流固交界面能量的過分交換而帶來的能量損失,從而實現(xiàn)減阻。

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

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