基于真实鲨鱼表皮的减阻表面的数值模拟和实验研究外文翻译资料

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NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY OF DRAG- REDUCING SURFACE OF A REAL SHARK SKIN

基于真实鲨鱼表皮的减阻表面的数值模拟和实验研究

摘要：我们知道鲨鱼皮表面能有效地减少湍流的发生和减小壁面摩擦，但是为了了解其减阻机理，必须解决一个关于沟槽表面减阻的问题，在这一方面，直接的数值模拟是一个重要的工具。在本文，基于一块真实的生物鲨鱼表皮，经过高精度的扫描和对数据的分析和处理，我们建立了一个基于真实鲨鱼表皮的模型。我们完整的模拟了真实鲨鱼皮表面的湍流过程，并在这个模拟的基础上，对其减阻机理进行了讨论。另外，为了验证鲨鱼表面对减阻的影响，我们在水洞里做了一个真实的实验，这个实验的结果和数值模拟的结果大致符合。

关键词：数值模拟，实验研究，仿生表皮，鲨鱼皮，减阻机理

介绍

经过百万年的优胜劣汰的竞争，生物已经形成了自己独特的功能表面，如减阻，耐磨，自洁等。鲨鱼是海洋中游得最快的动物，鲨鱼皮鳞片表面上有许多细微沟槽。在20世纪70年代，迈克尔在NASA Langley研究中心发现，带肋表面可以有效降低壁面摩擦[1]，这是大大超出了传统的想法，而这对人类来说，也开辟了一条减阻技术的新途径。直接数值模拟是研究湍流的重要工具，许多研究都与流体工程[2-11]密切相关。沟槽减阻表面的机理一直是重要的研究课题之一[12-16]。但是至今为止，模拟主要局限于简单的直槽，如三角形凹槽，半圆形的凹槽等简单的直槽，并就作者所知，没有人发表过一个模拟了真实的鲨鱼皮表面流场的实验，另外，也没有考虑过攻角的影响。此外，为了验证鲨鱼皮的减阻效果，实际的实验都在水洞中进行。

1.建立鲨鱼皮的模型

鲨鱼皮是由许多很小的，表面的微观形态如图1所示的盾鳞构成的。这些微结构的延伸方向与它的游泳方向大致平行，沟槽底部可以伸产生粘性底层阻止湍流的发生，所以能够降低壁面摩擦。

为了研究一个真实鲨鱼皮的表面的减阻机理，文章根据下面的步骤建立了一个模型：（1）一个单一的生物盾鳞的高精确扫描，（2）数据的分析和处理，（3）建立一个盾鳞和大规模的鲨鱼表皮三维模型，（4）设定计算域，（5）CFD模型的建立和数值模拟。由于模型的所有相关信息都来自一个真实的生物鲨鱼皮样本，因此这个模拟比那些用普通直槽的更准确，更可靠。

1.1预处理和生物鲨鱼皮的扫描

在建立模型的过程中，为了达到良好的光反射和导电效果，鲨鱼皮经过了以下五个处理步骤：清洁，化学固定，再清洗，脱水，烘干。为了得到充分和精确的数据，本研究采用了超高准确的扫描方法，其中高精密仪器包括Phase Shift MicroXAM-3D，具有1纳米的RMS重复性，垂直扫描分辨率最小为0.1nm，校准精度不超过0.1％。经过高准确的扫描，得到了单个鳞的三维图像，如图2所示。

1.2建立真实鲨鱼皮的模型

建立一个真正的鲨鱼皮的模型是在这个过程中最重要的步骤之一，该模型应与生物原型是精确一致的。如图3所示是单个盾鳞表面的二维图像和相应的横截面曲线。这些有关的数据被导入到Solidworks的软件，经过升降，剪裁等步骤，建立了单个盾鳞的三维模型和多个盾鳞的鲨鱼表皮的模型，如图4，5所示。

2. CFD预处理

因为鲨鱼皮鳞表面是十分复杂的，所以把不同表面无缝连接在一起是很困难的，而且还不能保证的鲨鱼皮的表面和计算域的连续性。因此，真实的鲨鱼皮表面应以合理的方式简化。此外，鳞片表面的纵向截面不平行于流动方向，而是有特定的攻角的，如图6所示。 根据盾鳞的模型与实际攻角（它约为10° - 30°，本文假定所有盾鳞的攻角是15°），我们得到了连续真实的鲨鱼皮的表面模型和计算模型，如7和图8所示。

为了确保计算的高精度，减少总网格的数目，分配应当符合下列原则：（1）为了得到壁面附近流场的特征，邻近上壁和下壁的网格应该十分精确。 （2）由于计算机的能力有限，网格中的计算域的总数不应该大于1 600 000，所以在离壁面较远的区域的网格应该疏松一点。

如图9所示是该模型的网格和放大了的在鲨鱼表皮盾鳞和光滑的表皮附近的网格，计算域宽度，高度和长度为10：4：15的比例，并且高度域大约是盾鳞高度的20倍，因此，邻近的上，下壁的流动不会受到干扰，所以能保证模拟的准确性。在垂直方向上，该高度用1.25：1的比例分划成40行网格。整个网格的参数包括Elements- Tet/Hybrid，Type-TGrid和Spacing Interval Size-5。网格的总数为约1 470 000，网格的最大和最小体积分别是4.496124times;10^-16m3和3.574049times;10^-20m³。

在模拟过程中，采用了RNG k ε - 湍流模型，在壁面附近采用加强壁面处理来准确地模拟微小凹槽附近的流场，周围其它选项则设置为默认值。此外，边界条件如下设置：

（1）由于湍流发展充分，流场计算域的入口和出口应设置为周期性边界条件。

（2）在该翼展方向的流场，该流体不受限制，为了避免流场的其它的干扰，流场沿翼展方向的边界被设定为一个对称状态。

（3）上光滑内壁和较低的实际鲨鱼皮肤表面的壁面被设定为无滑移和固定不变的边界条件。

3.真实鲨鱼表皮流场分析

3.1 剪切应力分析

当流场中的平均流速为6米/秒，雷诺数超过临界值，此时流程进入一个充分发展的湍流状态，粘性底层的深度仅为约10mu;m，因此，盾鳞的前端将会超过边界层，此时沟槽表面起了阻止湍流产生的作用，所以反过来会减少阻力。在数值模拟的过程中，迭代的次数被设定为100，残差的曲线如图10所示，在真实鲨鱼皮的表面和光滑表面中的剪切应力的曲线如图11所示 。为了进一步分析的剪切应力，我们也得到了对与一个单一盾鳞的剪切应力示意图，如图12所示。根据上述附图，光滑表面上的剪切应力几乎是均匀的，大约408帕 - 738帕，但对单个真实鲨鱼皮盾鳞则以流动方向为正则约为-580Pa的值 - 4 700帕，盾鳞前端为最大值，其比在光滑表面上还要大，而在沟槽底部为最小值，在沿着流动方向或者流动相反的方向，其都远远小于光滑表面上的。在真实的鲨鱼皮的表面的剪切应力的积分也比在光滑的表面少，所以真正的鲨鱼皮有减阻效果。

3.2对速度场的分析

在流场的不同区域的速度是不一样的。图13表示了在流场的特定的横截面的速度曲线，图14表示了在光滑表面和真实鲨鱼皮的表面的沿流场方向的速度矢量，而图15则表示了在单个盾鳞速度变化。如图13所示，当平均速度为6米/秒，由于受到上，下壁面的影响，在远离壁面的区域，速度较大，并且最大大于10米/秒和最小速度则小于零。另外，由于在壁面的流速很低并且阻力很小，在粘性底层的速度变化非常迅速。对于单个盾鳞，在其尖端上的速度是非常大的，并在沟槽底部的速度非常小，因为会有回流产生甚至为负值，这导致了壁面摩擦的降低。在盾鳞上的回流图解如图16所示。

3.3湍流强度的分析

湍流的强度可能会直接影响流动状态，并且会影响壁的摩擦。特定的横截面和单个盾鳞的湍流强度的状态如图17和18所示。如该图所示，在流场的中心的湍流强度比其他区域都大，并且光滑表面附近的湍流强度比盾鳞的沟槽底部较大，如图18所示，对于单个盾鳞，顶部的强度比沟槽底部要大。从理论上讲，湍流强度越大，壁面摩擦将会越大。因此，鲨鱼皮上的壁面摩擦小于在光滑壁面的。当流场的平均速度是6米/秒，最大的横截面湍流强度是在横截面的中心，大约302.65414％- 318.58325％，而在和上壁面和下壁面相接触的区域的湍流强度分别是31.85948％ - 47.788574％和0.001281％ - 15.9303％。此外，单个盾鳞在尖端处的湍流强度比沟槽底部的大得多。

3.4涡流的分析

当流场的平均速度为6m / s时，鲨鱼皮和光滑壁面的涡流数量曲线如图19和图20所示。在光滑表面上，强度取值大多在624190.31 l/ s - 831 259.19 l / s的范围内，而在鲨鱼皮上，在尖端的最大值约为3 523154.5 l/s - 3 730 223.5 l / S，沟槽底部则为最低，约为2983.7073l/ S - 210 052.58 l /s。涡流积分的大小在鲨鱼皮表面和光滑表面是分别是0.3941和0.4653。因此，可以得出结论，涡流的扩展运动会被鲨鱼表皮的沟槽限制，这会导致阻力下降。

3.5 真实的鲨鱼皮的减阻效率

在计算领，当平均速度超过5米/秒，会产生湍流，此时鲨鱼皮的表面具有减阻效果。水的不同质量流量可以认为是不同的平均速度，可以得到在不​​同速度下的真实鲨鱼皮的减阻效率，如表1所示。

4.在鲨鱼皮上的实验

4.1鲨鱼皮的减阻实验

为了验证真实的鲨鱼皮表面的减阻效果，减阻实验是在空泡水洞进行（中国船舶科学研究中心（CSSRC））。在测试系统中使用的参数如下：

（1）气泡水洞的测试部分为长为3.2m和直径为0.8m。

（2）在试验部分中的流速在0 m/s- 20 m/s之间调节。

（3）测试部分的中央压力可以在8 KPa-400 KPa之间变化。

（4）气泡指数是0.15。

该测试仪器还包括了一个测量范围是300N和分辨率为0.1N电阻传感器，两个SA55 DC放大器，200KHZ取样频率的NI-PCI 4472数字采样面板和IBM-PIV计算机。

这个前面是空心椭圆球，后端是空心圆柱的测试模型是采用铝合金LY12制造的。根据测试系统的应变计的测量范围，我们决定了测试模型的大小为长度为500毫米和外径为90毫米的圆筒。为了保证在粘贴上测试的皮肤样品后外表面的光滑度，中空椭圆球的外径设置为94毫米。真正的鲨鱼皮的表面可以通过一个复杂的生物方法制造，如图21所示。在粘贴过程中，皮肤的微槽的方向应与流场的方向一致。试验模型和安装的照片如图22所示。

实验是根据对气泡水洞试验的要求进行的（Q / 702J0301-2008）。水温为28℃，并且测试系统在测试前进行了1个多小时的脱气。水流速度可以在从2m/s至10 m/s之间变化。每个测试的水流速度连续上升，直到样本表皮被冲掉。如表2中所示，这样我们就能得到真实鲨鱼皮的减阻效率。

4.2模拟和实验结果的比较

真实鲨鱼皮从数值模拟和实际实验获得的减阻效率如图23所示。如图23所示，其结果是大致是一致的，这证实，在一定程度下证实了数值模拟和实验的精确性和可靠性。下列因素可能会造成偏差：实际测试的样品是平滑的表皮而真实鲨鱼皮是由硅橡胶制成的，但在数值模拟时模型是刚性的，因此这种硬度的差异可能会影响结果；另外，由于整个鲨鱼皮表面尺寸的制约，这些光滑的表皮样本和制造鲨鱼皮测试样本都通过粘贴多个表皮得到的，所以在样品上的这些接缝可能影响减阻效果。

5.鲨鱼皮的减阻机理的分析

表3表示出在平均速度是5.5 m/s时，光滑的表面和鲨鱼皮沿流动方向上的分力。根据这张表格，鲨鱼皮的壁面摩擦是由压应力和粘性力组成的，而粘性力的产生受攻角的大小和盾鳞的微型槽影响。

从鲨鱼表皮和光滑的表面的数据可以得出以下结论：

（1）由于受到盾鳞的微槽和攻角的影响，湍流强度会降低。由于盾鳞表面上产生了“回流”，鲨鱼皮上的粘性力与光滑表面上的相比大大降低了。

（2）由于盾鳞攻角的存在，鲨鱼皮上会产生压应力。但是，鲨鱼表皮上的总合力（压应力加粘性力）小于光滑表面上的。因此，湍流强度减少造成的阻力减少量足以抵消产生的压应力造成的阻力增加量。

此外，当鲨鱼游泳速度非常快时，它可以释放粘液，这也可以有润滑的作用。这是降低阻力的另一个重要因素。

6.结论

在这篇文章中，通过直接数值模拟和实际实验，我们对鲨鱼皮的减阻效率和机理进行了研究。主要结论如下：

（1）采用了高精度扫描的方法来扫描一块生物鳞片，从而精确地建立了鲨鱼皮的三维模型准确。因为与生物原型更加一致，因此可以得到更具说服力，更可靠的模拟结果。

（2）在模拟过程中，我们考虑了盾鳞的攻角，这些攻角可能导致在盾鳞沟槽底部产生微小的回流，盾鳞的微型槽和攻角是主要的减阻因素。

（3）实际的实验是在水洞进行，并且结果与仿真的结果相一致，这在一定程度上验证了仿真计算和实验的准确性。

（全文，除了参考文献）

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