看到一條魚(yú)，通常人們會(huì)想到餐桌上各種方法調(diào)制出來(lái)的魚(yú)類美食，然而對(duì)于仿生應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，浙江工業(yè)大學(xué)有這么一支團(tuán)隊(duì)，他們想到的是如何將“深海霸主”鯊魚(yú)表皮上的溝槽和鰓裂射流機(jī)構(gòu)運(yùn)用到流體機(jī)械的減阻上，在流體機(jī)械上能夠完美地呈現(xiàn)減阻技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。
來(lái)到浙江工業(yè)大學(xué)，該校工業(yè)泵研究所博士谷云慶帶領(lǐng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)在浙江省自然科學(xué)基金的資助下，立足于減阻技術(shù)需求，青年基金項(xiàng)目 “仿生非光滑射流表面耦合減阻特性及對(duì)邊界層控制研究”從2015年起始到2017年12月取得了階段性成果，并通過(guò)了結(jié)題驗(yàn)收。
研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過(guò)理論和實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，仿生非光滑射流表面減阻效果明顯，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制，對(duì)節(jié)約能源、提高能源利用率具有重要作用，在船舶、航空等諸多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景；本研究以鯊魚(yú)為仿生原型，基于其鰓裂射流原型結(jié)構(gòu)，建立多因素耦合下的仿生非光滑射流表面計(jì)算模型，采用計(jì)算流體力學(xué)方法，對(duì)于仿生非光滑射流表面減阻特性進(jìn)行研究，旨在豐富和發(fā)展仿生非光滑射流表面減阻技術(shù)，拓寬仿生減阻研究領(lǐng)域，并為完善減阻機(jī)理提供理論支撐，將有助于提高國(guó)內(nèi)減阻技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步延伸至流體機(jī)械上的應(yīng)用設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力。
據(jù)了解，減阻技術(shù)具有很高的軍事價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，一直是研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，常規(guī)船舶表面摩擦阻力約占總阻力的 50%，水下航行器表面摩擦阻力甚至占總阻力的 70%。理論推算表明，在能源和動(dòng)力恒定時(shí)，若航行器阻力減小 10%，則航程和巡航速度增加約3.57%；即便只能獲得較小的減阻效果，每年也能夠節(jié)約大量能源，對(duì)于緩解能源危機(jī)極為重要。生物通過(guò)自然選擇，獲得適合自身生存的特殊結(jié)構(gòu)及功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界環(huán)境的調(diào)控。仿生學(xué)通過(guò)模仿生物的特殊本領(lǐng)，并利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來(lái)研究新技術(shù)的一門新興邊緣學(xué)科。
而谷云慶博士的這個(gè)項(xiàng)目就是將減阻技術(shù)與仿生學(xué)融合在一起。目前綠色節(jié)能環(huán)保上升至國(guó)家戰(zhàn)略高度，環(huán)保產(chǎn)業(yè)支柱地位彰顯，谷云慶告訴記者，這個(gè)項(xiàng)目的研究意義就在于如何減少阻力來(lái)達(dá)到節(jié)能降耗的目的。“以前大家會(huì)認(rèn)為物體表面越光滑，那么阻力就越小，而仿生學(xué)研究的意義在于不一定要求物體表面是光滑的，而在某個(gè)確定范圍內(nèi)，也能達(dá)到減阻效果。我們這項(xiàng)研究基于鯊魚(yú)這一海洋生物體，它表皮的微型溝槽結(jié)構(gòu)和呼吸的鰓裂射流功能，來(lái)研究減阻技術(shù)。”
谷云慶博士還介紹到，運(yùn)用類比、模擬及模型方法是這項(xiàng)研究的重要特點(diǎn)，其目的不在于直接復(fù)制各個(gè)細(xì)節(jié)，而是要明確生物系統(tǒng)的工作原理，以實(shí)現(xiàn)特定功能。如，鯊魚(yú)游動(dòng)過(guò)程中，為了維持體內(nèi)穩(wěn)定的水流，需要通過(guò)嘴不斷的攝入海水，以便有足夠的氧氣供自身呼吸，當(dāng)體內(nèi)海水經(jīng)鯊魚(yú)吸收完氧分后，最終排出的水流在鰓裂處形成射流，伴隨呼吸的進(jìn)行，射流過(guò)程不斷持續(xù)，并且射流改變了鰓裂附近的流場(chǎng)分布。鯊魚(yú)鰓裂射流的這種特殊功能能夠優(yōu)化鯊魚(yú)體表流體邊界層的結(jié)構(gòu)，將鯊魚(yú)鰓裂射流功能引入減阻問(wèn)題的研究中，是一種新的減阻技術(shù)的主動(dòng)控制方法。
據(jù)悉，目前該項(xiàng)項(xiàng)目已經(jīng)有產(chǎn)學(xué)研合作方向，與石家莊一生產(chǎn)渣漿泵企業(yè)初步達(dá)成合作意向。原本的渣漿泵的泵體磨損嚴(yán)重，而通過(guò)用這項(xiàng)仿生減阻技術(shù)在泵體內(nèi)部設(shè)計(jì)了溝槽，這樣渣漿泵正常運(yùn)作可以減少磨損，使用壽命可以從原本的七天延長(zhǎng)加至十多天，大大提高了工作效率。下一步谷云慶博士將和他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步將泵體結(jié)構(gòu)再優(yōu)化，讓器械針對(duì)不同的煤礦或者漿液，以及針對(duì)特定的速度下設(shè)計(jì)適合的非光滑結(jié)構(gòu)，從而提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
