CN103552652A

CN103552652A - 基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装及其控制方法

Info

Publication number: CN103552652A
Application number: CN201310542639.8A
Authority: CN
Inventors: 夏连明; 邱先慧; 臧传武; 陈亮亮; 靳印凯; 韩鑫
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2013-11-06
Filing date: 2013-11-06
Publication date: 2014-02-05
Anticipated expiration: 2033-11-06
Also published as: CN103552652B

Abstract

本发明涉及工程仿生技术领域，具体涉及一种槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装及其控制方法。基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装，包括头导流板、侧导流板I、仿鲨鱼减阻蒙皮、侧导流板II、尾导流板、蒙皮支撑座、纵向拉伸电机、卷轴支架I、蒙皮卷筒、卷轴支架II、蒙皮卷轴。还包括蒙皮纵向变形控制系统。由于采用上述技术方案，本发明能够针对某一载体航行器在不同工作速度下动态、精确地进行自身沟槽宽度的调整，使得该减阻铺装能够对应相应航行速度持续、自适应地发挥最佳减阻效能，达到降低载体航行器航行阻力、提高机动性和速度、提高燃料利用效率并增大航程的目的。

Description

基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装及其控制方法，更特别地说，是指对制作出的宽沟槽型仿鲨鱼减阻蒙皮进行动态、精确地纵向拉伸以降低其表面微沟槽的宽度进而实现自适应最佳减阻的方法，属于工程仿生技术领域。

背景技术

固液界面间的壁面摩擦阻力是造成航行器能耗损失的主要来源，有效降低其表面流体阻力、提高机动性和速度、减少能耗损失对于国民经济和国防安全具有重要意义。在航行器表面铺设具有高效减阻效力的铺装是一种重要而便捷的方法。作为海洋中的游泳健将，鲨鱼表皮上结构独特的沟槽型微形貌因其具有优异的减阻效能，多年来一直是国内外工程仿生领域的研究热点。

在现有技术条件下，对于仿鲨鱼减阻表面的制造主要基于仿制和复制两种手段。例如，美国专利US Patent 4930729、5386955、5606201分别公开了采用仿形加工方法成形低逼真度仿鲨鱼减阻微形貌的制备方法；中国专利ZL200710117619.0、ZL200910076509.3、ZL201110261667.3、ZL201110261668.8分别公开了采用复制成形方法制作高逼真度仿鲨鱼减阻微形貌的制备方法。需要强调的是，在实际应用过程中上述仿鲨鱼减阻微形貌均是固定不变的。

然而，研究表明，鲨鱼表皮微形貌上的鳞片沟槽宽度是影响其减阻效能的重要结构要素，且仿生鲨鱼皮为达到最佳减阻效果，不同沟槽宽度均对应一个适宜工作速度。沟槽宽度较小的仿生鲨鱼皮适合于速度较高的载体航行器减阻，而沟槽宽度较大的仿生鲨鱼皮适合于速度较低的载体航行器减阻。因此，沟槽微形貌全程固定不变的仿生鲨鱼皮显然无法迎合载体对象的不同航行速度持续发挥最佳减阻效能，在实际使用效果方面存在局限性。目前，相关的研究已有开展，例如中国专利ZL201010232854.4公开了一种基于表面形貌尺寸可调的变形仿鲨鱼减阻蒙皮的制作方法。该方法根据应用对象的常用速度、介质粘度等参数事先调整好蒙皮的表面形貌尺寸，使仿鲨鱼减阻蒙皮的减阻效果接近最佳状态。然而，其不足之处在于：该方法只是在仿鲨鱼减阻蒙皮的制作过程中做到了对沟槽尺寸的调整，旨在点对点地制作出能够迎合载体不同工作速度的一系列减阻蒙皮，因而每个减阻蒙皮在投入应用时仍是形貌固定不变的，它并不能针对同一载体在不同工作速度下实时、自适应地进行自身沟槽宽度的调整，以保证该减阻蒙皮始终工作在最佳减阻状态。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装，以解决上述技术问题。

本发明的另一目的在于，提供一种基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装的控制方法，以解决上述技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装，其特征在于，包括头导流板、侧导流板I、仿鲨鱼减阻蒙皮、侧导流板II、尾导流板、蒙皮支撑座、纵向拉伸电机、卷轴支架I、蒙皮卷筒、卷轴支架II、蒙皮卷轴，所述仿鲨鱼减阻蒙皮为一宽沟槽型蒙皮，其上表面为沟槽面，其下表面沿沟槽方向设有至少2列呈独立排列的倒T形引脚，每列引脚的数量若干，所述蒙皮支撑座的下表面与载体航行器机体外表面固定连接，上表面开有至少2列倒T形滑槽，所述仿鲨鱼减阻蒙皮位于蒙皮支撑座上表面上，其处于来流方向的一端与蒙皮支撑座所处来流方向的一端相固定，其处于去流方向的另一端绕过蒙皮支撑座所处去流方向一端的圆角后固定于蒙皮卷筒上，所述倒T形引脚处于倒T形滑槽内并与之配合使得仿鲨鱼减阻蒙皮非固定部分与蒙皮支撑座上表面做滑动连接，所述头导流板位于仿鲨鱼减阻蒙皮来流端的前方，所述尾导流板位于仿鲨鱼减阻蒙皮去流端的后方，所述侧导流板I和侧导流板II位于仿鲨鱼减阻蒙皮垂直于来流方向的两侧，头导流板、尾导流板、侧导流板I、侧导流板II均固定于载体航行器机体外表面上，四者的最高端与仿鲨鱼减阻蒙皮抵近、齐平并共同形成顺滑过渡表面，纵向拉伸电机处于尾导流板下方并与蒙皮支撑座朝向去流方向的一侧立面相固定，其输出端连接蒙皮卷轴的输入端，蒙皮卷轴通过卷轴支架I、卷轴支架II固定于蒙皮支撑座朝向去流方向的一侧立面上，且同样处于尾导流板的下方，蒙皮卷筒固定于蒙皮卷轴外圆柱面上；还包括一蒙皮纵向变形控制系统，所述蒙皮纵向变形控制系统包括设置于载体航行器内部、存储有介质物性参数数据库且与纵向拉伸电机相连接的一蒙皮纵向变形控制器、设置于载体航行器机体外表面上并与蒙皮纵向变形控制器相连接的一速度传感器、一温度传感器、一密度传感器和一压强传感器、以及设置于卷轴支架I上且与蒙皮纵向变形控制器相连接的一位置传感器。

所述仿鲨鱼减阻蒙皮的材质是聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、模具硅橡胶。

所述仿鲨鱼减阻蒙皮的沟槽宽度在50μm～80μm。

基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）按照载体航行器通常工作环境下、寄希望其开始发挥最佳减阻作用的设计最低巡航速度，计算仿鲨鱼减阻蒙皮发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度，并以其作为自然状态下的初始沟槽宽度给载体航行器配置仿鲨鱼减阻铺装，最佳沟槽宽度的计算方法如公式1所示：

（1）

其中，s为最佳沟槽宽度，V为载体航行器速度，μ为介质动力粘度，C _f为摩阻系数，通常状态下

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE002

，R _e为雷诺数，

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE003

，L为蒙皮几何特征尺寸；

2）载体航行器运行前，打开蒙皮纵向变形控制系统进行系统工作参数设定，以设定触发蒙皮纵向变形控制器控制纵向拉伸电机运转的载体航行器航行速度变化量；

3）载体航行器正常运行状态下，各传感器依次采集载体航行器的瞬时速度、当前水流温度、当前水流密度、当前水流压强以及仿鲨鱼减阻蒙皮去流端的当前位置信息，并反馈给蒙皮纵向变形控制器进行处理，后者将反馈来的各类数据与自身存储的介质物性参数数据库进行逐一比对，以调用当前介质即水的物性参数；

4）当载体航行器的瞬时速度达到设计最低巡航速度时，仿鲨鱼减阻蒙皮开始正常发挥最佳减阻效果，且只要载体航行器维持当前速度恒定，或者其瞬时速度变化量低于设定触发蒙皮纵向变形控制器控制纵向拉伸电机运转的载体航行器航行速度变化量，则仿鲨鱼减阻蒙皮将持续发挥最佳减阻效能；

5）若载体航行器继续加速，当速度增量达到设定触发蒙皮纵向变形控制器控制纵向拉伸电机运转的载体航行器航行速度变化量时，蒙皮纵向变形控制系统自动启动并按公式1计算当前对应最佳沟槽宽度；

6）蒙皮纵向变形控制器以仿鲨鱼减阻蒙皮初始沟槽宽度为基础，以步骤5）算得的当前对应最佳沟槽宽度作为变形目标，参照蒙皮材质拉伸特性及蒙皮去流端的当前位置信息，生成相应指令控制纵向拉伸电机动作，带动蒙皮卷轴和蒙皮卷筒转动适当角度以纵向拉伸蒙皮到当前最佳沟槽宽度，此时仿鲨鱼减阻蒙皮便在该速度下发挥最佳减阻效能，达到新的自适应最佳减阻状态，该过程同样适用于载体航行器的减速。

所述触发蒙皮纵向变形控制器控制纵向拉伸电机运转的载体航行器航行速度变化量设定在3m/s～5m/s。

有益效果：本发明的基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装及其控制方法应用到水面、水下、空中的大型、小型及微小型航行器减阻领域，能够针对某一载体航行器在不同工作速度下动态、精确地进行自身沟槽宽度的调整，使得该减阻铺装能够对应相应航行速度持续、自适应地发挥最佳减阻效能，达到降低载体航行器航行阻力、提高机动性和速度、提高燃料利用效率并增大航程的目的。

附图说明

图1为本发明的仿鲨鱼减阻铺装与载体航行器安装示意图。

图2为本发明的仿鲨鱼减阻铺装仰视图。

图3为本发明的仿鲨鱼减阻蒙皮（表面沟槽已做简化、放大描述）与纵向拉伸部件配合示意图。

图4为本发明的仿鲨鱼减阻蒙皮结构示意图。

图5为本发明的蒙皮支撑座（拆去纵向拉伸部件）结构示意图。

图6为本发明的仿鲨鱼减阻蒙皮与蒙皮支撑座（拆去纵向拉伸部件）配合示意图。

图7为本发明的头导流板结构示意图。

图8为本发明的侧导流板结构示意图。

图9为本发明的尾导流板结构示意图。

图10为本发明的蒙皮纵向变形控制系统工作原理图。

图中：1、载体航行器机体外表面 2、头导流板 3、侧导流板I 4、仿鲨鱼减阻蒙皮 5、侧导流板II 6、尾导流板 7、蒙皮支撑座 8、纵向拉伸电机 9、卷轴支架I 10、蒙皮卷筒 11、卷轴支架II 12、蒙皮卷轴 13、倒T形引脚 14、倒T形滑槽。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图和具体实施例进一步阐述本发明。

参照图1～图9，基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装，包括头导流板2、侧导流板I 3、仿鲨鱼减阻蒙皮4、侧导流板II 5、尾导流板6、蒙皮支撑座7、纵向拉伸电机8、卷轴支架I 9、蒙皮卷筒10、卷轴支架II 11、蒙皮卷轴12，所述仿鲨鱼减阻蒙皮4的初始沟槽宽度为65μm，蒙皮材质是模具硅橡胶，其上表面为沟槽面，其下表面沿沟槽方向设有4列呈独立排列的倒T形引脚13，每列引脚的数量若干，所述蒙皮支撑座7的下表面与载体航行器机体外表面1固定连接，上表面的中间部位开有2列倒T形滑槽14，另外在其两侧边缘部位还开有2列截面形状为半个倒T形的滑槽，所述仿鲨鱼减阻蒙皮4位于蒙皮支撑座7上表面上，其处于来流方向的一端与蒙皮支撑座7所处来流方向的一端相固定，其处于去流方向的另一端绕过蒙皮支撑座7所处去流方向一端的圆角后固定于蒙皮卷筒10上，所述倒T形引脚13处于倒T形滑槽14内并与之配合使得仿鲨鱼减阻蒙皮4非固定部分与蒙皮支撑座7上表面做滑动连接，所述头导流板2位于仿鲨鱼减阻蒙皮4来流端的前方，所述尾导流板6位于仿鲨鱼减阻蒙皮4去流端的后方，所述侧导流板I 3和侧导流板II 5位于仿鲨鱼减阻蒙皮4垂直于来流方向的两侧，侧导流板I 3和侧导流板II 5朝向仿鲨鱼减阻蒙皮4一侧的边缘处各开有1列截面形状为半个倒T形且与蒙皮支撑座7两侧边缘所开滑槽相配对使用的滑槽，头导流板2、尾导流板6、侧导流板I 3、侧导流板II 5均固定于载体航行器机体外表面1上，四者的最高端与仿鲨鱼减阻蒙皮4抵近、齐平并共同形成顺滑过渡表面，纵向拉伸电机8处于尾导流板6下方并与蒙皮支撑座7朝向去流方向的一侧立面相固定，其输出端连接蒙皮卷轴12的输入端，蒙皮卷轴12通过卷轴支架I 9、卷轴支架II 11固定于蒙皮支撑座7朝向去流方向的一侧立面上，且同样处于尾导流板6的下方，蒙皮卷筒10固定于蒙皮卷轴12外圆柱面上。

参照图10、图3，蒙皮纵向变形控制系统，包括设置于载体航行器内部、存储有介质物性参数数据库且与纵向拉伸电机8相连接的一蒙皮纵向变形控制器、设置于载体航行器机体外表面1上并与蒙皮纵向变形控制器相连接的一速度传感器、一温度传感器、一密度传感器和一压强传感器、以及设置于卷轴支架I 9上且与蒙皮纵向变形控制器相连接的一位置传感器。

拟将该仿鲨鱼减阻铺装应用于常年在近海海域活动的某型摩托艇上（艇长3.2m），仿鲨鱼减阻蒙皮的计划铺设长度为2m。首先，按照该型摩托艇通常工作环境（海水水温20℃，密度为1.025×10³kg/m³、动力粘度为1.002×10^-3kg/m·s）下的设计最低巡航速度7m/s计算仿鲨鱼减阻蒙皮发挥最佳减阻效果时的最佳沟槽宽度：

7m/s速度下该减阻蒙皮的雷诺数：

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE004

7m/s速度下该减阻蒙皮的摩阻系数：

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE005

7m/s速度下该减阻蒙皮所需最佳沟槽宽度：

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE006

。

因此，以60.6μm作为自然状态下的初始沟槽宽度给该型摩托艇配置仿鲨鱼减阻铺装，蒙皮材质选择模具硅橡胶。

摩托艇运行前，先打开蒙皮纵向变形控制系统进行系统工作参数设定，设定触发蒙皮纵向变形控制器控制纵向拉伸电机运转的摩托艇航行速度变化量为3m/s。

当摩托艇正常运行后，各传感器依次采集摩托艇的瞬时速度、当前水流温度、当前水流密度、当前水流压强以及仿鲨鱼减阻蒙皮去流端的当前位置信息，并反馈给蒙皮纵向变形控制器进行处理，后者将反馈来的各类数据与自身存储的介质物性参数数据库进行逐一比对，调用到当前介质即海水的物性参数，即水温为20℃的海水密度为1.025×10³kg/m³、动力粘度为1.002×10^-3kg/m·s。

当摩托艇的瞬时速度达到设计最低巡航速度7m/s时，仿鲨鱼减阻蒙皮开始正常发挥最佳减阻效果，且只要摩托艇维持当前速度7m/s恒定，或者其瞬时速度变化量低于3m/s，则仿鲨鱼减阻蒙皮将持续发挥最佳减阻效能。

若该摩托艇继续加速，当加速到10m/s时，速度变化量达到了设定触发蒙皮纵向变形控制器控制纵向拉伸电机运转的摩托艇航行速度变化量3m/s，蒙皮纵向变形控制系统将自动启动并按公式1计算当前对应最佳沟槽宽度：

10m/s速度下该减阻蒙皮的雷诺数：

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE007

10m/s速度下该减阻蒙皮的摩阻系数：

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE008

10m/s速度下该减阻蒙皮所需最佳沟槽宽度：

Figure 2013105426398100002DEST_PATH_IMAGE009

。

由此，蒙皮纵向变形控制器以仿鲨鱼减阻蒙皮初始沟槽宽度60.6μm为基础，以计算得到的对应10m/s速度下的当前最佳沟槽宽度43.4μm作为变形目标，参照蒙皮材质即模具硅橡胶的拉伸特性及当前蒙皮初始长度，生成相应指令控制纵向拉伸电机动作，带动蒙皮卷轴和蒙皮卷筒转动适当角度以纵向拉伸蒙皮到指定最佳沟槽宽度，此时仿鲨鱼减阻蒙皮便在10m/s速度下发挥最佳减阻效能，达到新的自适应最佳减阻状态。

上述过程同样适用于该摩托艇的减速。

Claims

1.基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装，其特征在于，包括头导流板（2）、侧导流板I （3）、仿鲨鱼减阻蒙皮（4）、侧导流板II（5）、尾导流板（6）、蒙皮支撑座（7）、纵向拉伸电机（8）、卷轴支架I（9）、蒙皮卷筒（10）、卷轴支架II（11）、蒙皮卷轴（12），所述仿鲨鱼减阻蒙皮（4）为一宽沟槽型蒙皮，其上表面为沟槽面，其下表面沿沟槽方向设有至少2列呈独立排列的倒T形引脚（13），每列引脚的数量若干，所述蒙皮支撑座（7）的下表面与载体航行器机体外表面（1）固定连接，上表面开有至少2列倒T形滑槽（14），所述仿鲨鱼减阻蒙皮（4）位于蒙皮支撑座（7）上表面上，其处于来流方向的一端与蒙皮支撑座（7）所处来流方向的一端相固定，其处于去流方向的另一端绕过蒙皮支撑座（7）所处去流方向一端的圆角后固定于蒙皮卷筒（10）上，所述倒T形引脚（13）处于倒T形滑槽（14）内并与之配合使得仿鲨鱼减阻蒙皮（4）非固定部分与蒙皮支撑座（7）上表面做滑动连接，所述头导流板（2）位于仿鲨鱼减阻蒙皮（4）来流端的前方，所述尾导流板（6）位于仿鲨鱼减阻蒙皮（4）去流端的后方，所述侧导流板I（3）和侧导流板II（5）位于仿鲨鱼减阻蒙皮（4）垂直于来流方向的两侧，头导流板（2）、尾导流板（6）、侧导流板I（3）、侧导流板II（5）均固定于载体航行器机体外表面（1）上，四者的最高端与仿鲨鱼减阻蒙皮（4）抵近、齐平并共同形成顺滑过渡表面，纵向拉伸电机（8）处于尾导流板（6）下方并与蒙皮支撑座（7）朝向去流方向的一侧立面相固定，其输出端连接蒙皮卷轴（12）的输入端，蒙皮卷轴（12）通过卷轴支架I（9）、卷轴支架II（11）固定于蒙皮支撑座（7）朝向去流方向的一侧立面上，且同样处于尾导流板（6）的下方，蒙皮卷筒（10）固定于蒙皮卷轴（12）外圆柱面上；还包括一蒙皮纵向变形控制系统，所述蒙皮纵向变形控制系统包括设置于载体航行器内部、存储有介质物性参数数据库且与纵向拉伸电机（8）相连接的一蒙皮纵向变形控制器、设置于载体航行器机体外表面（1）上并与蒙皮纵向变形控制器相连接的一速度传感器、一温度传感器、一密度传感器和一压强传感器、以及设置于卷轴支架I（9）上且与蒙皮纵向变形控制器相连接的一位置传感器。

2.根据权利要求1所述的基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装，其特征在于：所述仿鲨鱼减阻蒙皮（4）的材质是聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、模具硅橡胶。

3.根据权利要求1所述的基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装，其特征在于：所述仿鲨鱼减阻蒙皮（4）的沟槽宽度在50μm～80μm。

4.基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）

其中，s为最佳沟槽宽度，V为载体航行器速度，μ为介质动力粘度，C _f为摩阻系数，通常状态下，R _e为雷诺数，

，L为蒙皮几何特征尺寸；

5.根据权利要求4所述的基于纵向拉伸的槽宽自适应型仿鲨鱼减阻铺装的控制方法，其特征在于：所述触发蒙皮纵向变形控制器控制纵向拉伸电机运转的载体航行器航行速度变化量设定在3m/s～5m/s。