CN108358154A - 一种具备减阻特性的梭形仿生微结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备减阻特性的梭形仿生微结构，属于微结构功能材料领域。该结构包括：(a)梭形结构层，(b)基底材料层，若干梭形结构体以一定的排布规则布置于基底材料上，形成所述的梭形结构层。所述梭形结构体的一端为尖角，另一端为圆弧曲面，每个尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接，各梭形结构体的尖角端冲朝向同一方向。本发明提出的基于高山箭竹叶表层微观结构的梭形微结构可显著减小表面摩擦阻力，有效改善固流接触层的气动性能,可广泛应用于现代工程领域。

Description

一种具备减阻特性的梭形仿生微结构

技术领域

本发明涉及微结构功能材料领域，具体而言，就是提供了一种具备减阻特性的仿高山箭竹叶梭形微结构。

背景技术

快速、高性能成为现代科技发展的必然要求，同时，随着现代社会的发展和生态文明建设的推进，绿色、节能、可持续的发展理念日渐成为人类社会发展的主旋律。资料显示，对于船舶、飞机等交通工具而言，最大的能耗是克服其与流体介质摩擦所带来的阻力；流体传输中有相当一部分的能量损耗于克服流体与传输设备之间的摩擦阻力。据统计，船舶行驶时表面摩擦阻力约占总阻力的70％-80％；民用飞机飞行时表面摩擦阻力占总阻力的50％左右。表面摩擦阻力成为限制设备性能的最主要的因素之一，同时也成为能源损耗的罪魁祸首。设法减小物体表面与流体之间的摩擦阻力对于提高设备性能、实现节能减排、提高资源利用率具有重要的工程应用价值，对推进生态文明建设以及人类社会的可持续发展具有重要意义。

物体与流体之间发生相对运动时，会形成兴波阻力、压差阻力和摩擦阻力等三种阻力。前两者由物体外形引起，可通过优化外形结构来改善，且此方面的研究已日臻完善；而摩擦阻力源于物体表面与周围流体之间的相互作用，可通过物体表面层的结构和性能改良以及表面微结构调控来改善，不过由于其过程的复杂性，相关研究还不是很成熟。摩擦阻力的影响因素有三个方面，一是物体表面层结构和性能，以及物体表面的化学和物理特性；二是流体的密度、粘度等属性；三是物体表面和流体的相对运动状态，包括相对运动速度和边界层状态。减小表面摩擦阻力的主要解决方式包括减阻剂减阻、微气泡减阻、低表面能涂层减阻、非光滑表面减阻以及柔性壁减阻等。近些年，受到鲨鱼皮肤表面微观结构的启示，很多科学家对此展开了大量的研究，基于鲨鱼皮肤表层微观结构制备的非光滑表面减阻材料也已经获得了广泛的工程应用。将基于仿生的物体表面微观结构设计应用于表面减阻研究将为减阻研究研究提供新的研究思路和方法。基于鲨鱼皮肤表层微观结构制备并成功应用的启示，高山箭竹叶梭形结构体流线排布的肋结构表面作为一种减阻效果更为优秀的微结构表面受到了我们关注。高山箭竹是一种分布在海拔2200到3000米之间的常绿竹类植物，生长环境恶劣，高海拔、气温低、多强风，我们观察到高山箭竹叶表面具有特殊的复合微观结构，该复合微观结构中的梭形结构对于箭竹防风减阻具有重要作用。通过深入的研究，我们发现该微结构表面具有与鲨鱼皮肤表层微结构不同的减阻机理，同时具备较鲨鱼皮肤而言更加显著的减阻特性。

基于以上的讨论，我们提出了一种基于高山箭竹叶表层微观结构的梭形微结构表面层材料，该材料具备优秀的减阻特性，可广泛应用于现代工程领域。

发明内容

本发明针对工程应用中的减阻需求提供了一种仿高山箭竹叶梭形微结构。

本发明提供的具备减阻特性的梭形仿生微结构，包括：(a)梭形结构层，(b)基底材料层，若干梭形结构体以一定的排布规则布置于基底材料上，形成所述的梭形结构层。

所述梭形结构体的一端为尖角，另一端为圆弧曲面，每个尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接，其内部为实体或空腔结构；梭形结构体长度范围在20到60微米，宽度范围在10到30微米，高度范围在10到30微米。

所述的排布规则为：梭形结构体以一定的间隔按照流线形沿基底材料表面排布，同一流线上梭形结构体间距范围为40到80微米，相邻流线间距范围在百微米尺寸，相邻流线上梭形结构体相对排列或交错排列；各梭形结构体的尖角端冲朝向同一方向；

基底材料层上表面可以是光滑平面，可以是粗糙度在Ra3.2—Ra6.3的非光滑平面，可以是波峰和波谷分布的波形曲面，也可以是其他不规则曲面。

本发明中，上述两个结构层均可采用金属、无机非金属材料、聚合物材料来制备，金属材料如铝、铜、钢等，以及其合金材料，无机非金属材料如玻璃、陶瓷等，聚合物材料如PDMS(聚二甲基硅氧烷)、光刻胶等。

本发明中，沿着与梭形结构体排布方向成一定夹角流动的流体，在边界层发生转捩之后，由于流向旋涡的诱导作用，在遭遇仿竹叶梭形微结构所组成的肋状结构时，会有部分旋涡与肋结构的上端发生碰撞，从而在上端处产生分离旋涡，其涡量方向与原流向旋涡的方向相反，因此削弱了原有的流向旋涡(如图6所示)。考虑到旋涡理论中，大的旋涡都是由各种尺度的旋涡叠加而成，结合实际情况下湍流边界层中旋涡的尺寸，仿竹叶梭形微结构所组成的肋状结构可与之对应从而分级破碎旋涡，从而最大程度的减少壁面附近的内外动量交换，并延迟湍流猝发，降低摩擦阻力和压差阻力。同时，梭形结构体沿流线型排布为肋状结构，同一流线上梭形结构体之间有一定的间隔，强旋涡可通过该间隔缓冲以减小旋涡对梭形结构体的冲击作用。沿梭形结构体排布方向流动的流体旋涡遇梭形结构体前端而被打破，破碎的旋涡贴附梭形结构体壁面流动。在梭形结构体的后端，流体流动状态因梭形结构体形状的变化而发生改变，延缓湍流产生，流体流速加快进入下一梭形结构体部分并与下一梭形结构体前端发生碰撞。此流动转换过程可减小材料表面与流体接触相对运动时的剪切应力、减缓湍流层的形成、阻碍流向涡的发展、防止流体分离。由以上分析可知，梭形结构体的存在和适当排布可显著减小表面摩擦阻力，有效改善固流接触层的气动性能。

附图说明

图1表示的是梭形仿生微结构的轴测图；

图2表示的是梭形仿生微结构的俯视图；

图3表示的是具体实施方式2梭形微结构轴测图；

图4表示的是具体实施方式3梭形微结构轴测图；

图5表示的是具体实施方式4梭形微结构轴测图；

图6是梭形微结构破碎旋涡减阻原理图。

具体实施方式

下列实施例进一步描述和证明了本发明范围内的优选实施方案。所给的这些实施例仅仅是说明性的,不可理解为是对本发明的限制。

具体实施方式1

梭形结构层和基底材料层均以PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成。梭形结构体整体长为48微米，宽为24微米，高为24微米，圆弧端曲率半径为12微米，尖角端夹角为75°。梭形结构体沿水平面上曲线排布在表面为光滑平面的基底材料上，同一曲线上相邻梭形结构体间前后距为88微米，相邻曲线之间的距离为100微米，相邻曲线上梭形结构体排布方式和位置相同。

具体实施方式2

梭形结构层和基底材料层均以铝合金材料制成。梭形结构体整体长为52微米，宽为28微米，高为24微米，圆弧端曲率半径为16微米，尖角端夹角为78°。梭形结构体沿水平面上曲线排布在基底材料上，基底材料表面为具有一定粗糙度平面的，同一曲线上相邻梭形结构间距为90微米，相邻曲线之间的距离为98微米，相邻曲线上梭形结构体排布方式相同，但相邻曲线上对应梭形结构体交错排布，错位距离为12微米。

具体实施方式3

梭形结构层和基底材料层均以光刻胶材料制成。梭形结构体整体长为52微米，宽为28微米，圆弧端曲率半径为16微米，尖角端夹角为78°。梭形结构体沿光滑曲线排布，曲线分布在水平面上。基底材料表面为波峰到波谷距离为20微米、波形周期为200微米的波形面，梭形结构体上表面到某一等高面的距离相同。同一曲线上相邻梭形结构体间距为90微米，相邻曲线之间的距离为98微米，相邻曲线上梭形结构体排布方式和位置相同。

具体实施方式4

梭形结构层和基底材料层均以光刻胶材料制成。梭形结构体整体长为56微米，宽为28微米，高为24微米，圆弧端曲率半径为16微米，尖角端夹角为72°。梭形结构体沿光滑曲线排布，曲线分布在基底材料波形表面上。基底材料表面为波峰到波谷距离为20微米、波形周期为200微米的波形面。同一曲线上相邻梭形结构间距为90微米，相邻曲线之间的距离为104微米，相邻曲线上梭形结构体排布方式和位置相同。

Claims (3)

1.一种具备减阻特性的梭形仿生微结构，其特征在于，包括：(a)梭形结构层，(b)基底材料层，若干梭形结构体以一定的排布规则布置于基底材料上，形成所述的梭形结构层；

所述梭形结构体的一端为尖角，另一端为圆弧曲面，每个尖角与圆弧曲面以平滑曲面连接；梭形结构体长度范围在20到60微米，宽度范围在10到30微米，高度范围在10到30微米；

所述的排布规则为：梭形结构体以一定的间隔按照流线形沿基底材料表面排布，同一流线上梭形结构体间距范围为40到80微米，相邻流线间距范围在百微米尺寸，相邻流线上梭形结构体相对排列或交错排列；各梭形结构体的尖角端冲朝向同一方向。

2.一种如权利要求1所述的具备减阻特性的梭形仿生微结构，其特征在于，所述基底材料层上表面是光滑平面、或者是粗糙度在Ra3.2—Ra6.3的非光滑平面、或者是波峰和波谷分布的波形曲面、或者是其他不规则曲面。

3.一种如权利要求1所述的具备减阻特性的梭形仿生微结构，其特征在于，所述两个结构层为金属、或无机非金属材料、或聚合物材料。