【论文精选】形态/材料耦合仿生功能表面减阻特性及机制

2016-12-21 by:CAE仿真在线来源:互联网

《农业工程学报》2015年第31卷第13期刊载了由吉林大学的作者田丽梅、可庆朋、金娥、李子源、王银慈和胡彦冰合作完成的研究成果——“形态/材料耦合仿生功能表面减阻特性及机制”。

模仿自然界中特有的生物现象,可以有效解决工程上遇到的复杂问题。最具代表性的生物当属海豚,海豚皮肤特殊的结构对减阻特性具有较大影响。受这种特殊皮肤结构的启发,吉林大学模仿海豚皮肤的特殊结构设计了形态/材料二因素耦合仿生功能表面,并将其应用到了典型流体机械-泵类产品上,使水泵效率提高了3%~5%。然而由于试验设备和条件的限制,对于形态/材料二因素耦合仿生功能表面是如何提高减阻效果的细致探索比较困难,因此,这项研究基于流固耦合的基本理论,在ANSYS-Workbench平台下,利用双向流固耦合模拟手段,针对耦合仿生功能表面不同面层材料属性和不同仿生形态间距对流体阻力的影响,揭示上述耦合仿生功能表面的减阻特性及减阻机制。

根据仿生学相似原理,基于海豚特殊的皮肤结构,设计的形态/材料仿生功能表面主要由软硬2种不同的材料构成(材料因素),基底材料选择ANSYS-Workbench材料库中默认的钢材料,力学性能参数已知,其上布置有仿生形态(形态因素),面层材料与基底材料之间不考虑其相互之间的运动,故二者之间设定为固定接触,在该文中称之为形态/材料耦合仿生功能表面。

针对上述功能表面的面层材料及基底仿生形态2种耦合因素,各取3种不同的模型,对其减阻特性进行研究。在仿生形态的间距d = 2 mm时,选取面层材料弹性模量值为2.8×104、2.8×106和5×106 Pa,并分别称之为模型1、模型2和模型3;固定弹性模量值为E = 5×106 Pa,改变基底仿生形态之间的间距d值(d值为2、3和4 mm)并分别命名为模型4、模型5和模型6。

模拟结果表明,仿生形态间距d = 2 mm时,模型1流固交界面处位移最大,位移变化呈规律性变形,黏性阻力及总阻力均最小,随着面层材料弹性模量增大,其变形量逐渐减小,体现了材料与基底仿生形态动态的耦合,这种动态的耦合是通过面层材料的柔性与基底仿生形态的耦合来实现的。流固交界面处平均壁面剪切力和湍动能耗散率随间距d值的增加而增加,d值越大,导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,从而导致湍动能耗散率上升,不利于耦合仿生功能表面减阻。上述模拟结果说明耦合仿生功能表面面层材料的弹性模量及其基底仿生形态的间距,对其减阻特性影响较大。表面材料的弹性模量越小,耦合仿生功能表面对流体介质的调控能力越强,获得的总阻力就会越小。基底仿生形态的间距可与表面弹性材料的耦合,间接控制面层材料的弹性变量,实现减阻,因此,基底仿生形态的间距是优化形态/材料耦合仿生功能表面减阻特性的重要参数。

形态/材料耦合仿生功能表面的减阻机制主要体现在表面材料与基底仿生形态动态耦合产生的弹性变形使得流固耦合界面与流固实际接触面产生分离,从而导致其速度梯度降低,此外其耦合变形产生的弹性变形,降低了流体的湍动能,避免了流固交界面能量的过分交换而带来的能量损失,从而实现减阻。

该项研究对于放海豚皮肤结构的仿生耦合功能表面对流体的控制机制提供了理论依据,为这种仿生耦合功能表面的设计、应用提供了技术支撑。

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