CN104613056A - 一种人字形结构的仿生减阻表面 - Google Patents
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Abstract
一种人字形结构的仿生减阻表面其由人字形沟槽单元组成，人字形沟槽单元包括两列V形沟槽组，每列V形沟槽组由若干条相互平行的V形沟槽构成，两列V形沟槽沟槽延伸方向呈左右对称分布，且每对对称V形沟槽水平截面相交线形成一定的夹角θ，夹角0＜θ≤120°。该表面增加了粘性底层的厚度，降低了表面湍流状态，同时该表面形成宏观尺度的大涡，不断地把产生湍流的流体运出粘性底层，延迟完全湍流状态的发生，减少了能量的消耗。同时沟槽表面会形成“二次涡群”，使壁面猝发湍流强度变弱，降低了壁面摩擦阻力。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面结构，特别涉及一种人字形结构的仿生减阻表面。
背景技术
在各类交通工具、飞行器以及水中航行器，摩擦阻力占有非常大的比例。其它以流体为工质的动力机械如流体泵、输气管道等，摩擦阻力也占有相当大的比例。摩擦阻力造成了能源的巨大消耗。降低运输工具及其他机械的表面摩擦阻力，从而提高航行速度、工作效率，减少能源消耗是国家节能减排战略的重大需求。
生物经过近40亿年的进化，其结构和功能为了适应环境而不断地进行优化，许多生物体表面形成独特的功能性表面形貌结构。本发明受鸟羽拟人字微纳表面形貌结构启发，提出一种仿生减阻表面。近十几年来，研究者通过研究鱼类以及鸟类，发现表面各种表面结构有着出色的减少摩擦阻力的作用。顺流向布置该表面可大幅减少流体介质中物体的阻力。
发明内容
在下文中给出关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明的目的在于提供一种人字形结构的仿生减阻表面。
本发明提供的人字形结构的仿生减阻表面，其由人字形沟槽单元组成，人字形沟槽单元包括两列V形沟槽组，每列V形沟槽组由若干条相互平行的V形沟槽构成，两列V形沟槽沟槽延伸方向呈左右对称分布，且每对对称V形沟槽水平截面相交线形成一定的夹角θ，夹角0＜θ≤120°.
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
该表面增加了粘性底层的厚度，降低了表面湍流状态，同时人字形沟槽表面形成宏观尺度的大涡，不断地把产生湍流的流体运出粘性底层，延迟完全湍流状态的发生，减少了能量的消耗。同时沟槽表面会形成“二次涡群”，是壁面猝发湍流强度变弱，降低了壁面摩擦阻力。
附图说明
参照下面结合附图对本发明实施例的说明，会更加容易地理解本发明的以上和其它目的、特点和优点。附图中的部件只是为了示出本发明的原理。在附图中，相同的或类似的技术特征或部件将采用相同或类似的附图标记来表示。
图1为本发明第一实施例提供的人字形结构的仿生减阻表面的立体结构示意图；
图2为图1的A-A剖视结构示意图。
图3为图1前端端面结构示意图。
图4为本实验新型第一实施例提供的人字形结构的仿生减阻表面的俯视图。
图5为本发明第二实施例提供的人字形结构的仿生减阻表面的立体结构示意图
图6为图5的B-B剖视结构示意图。
图7为图5前端端面结构示意图。
图8为本实验新型第二实施例提供的人字形结构的仿生减阻表面的俯视图。
附图标记说明：
1-V形沟槽；2-过渡平板；3-V形沟槽组。
具体实施方式
下面参照附图来说明本发明的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。
如图1、图4所示，本发明提供的人字形结构的仿生减阻表面，其由人字形沟槽单元组成，人字形沟槽单元包括两列V形沟槽组3，每列V形沟槽组3由若干条相互平行的V形沟槽1构成，两列V形沟槽1沟槽延伸方向呈左右对称分布，且每对对称V形沟槽1水平截面相交线形成一定的夹角θ，夹角0＜θ≤120°。
该表面增加了粘性底层的厚度，降低了表面湍流状态，同时人字形结构的仿生减阻表面形成宏观尺度的大涡，不断地把产生湍流的流体运出粘性底层，延迟完全湍流状态的发生，减少了能量的消耗。同时沟槽表面会形成“二次涡群”，是壁面猝发湍流强度变弱，降低了壁面摩擦阻力。
进一步，如图2所示，本实施例提供的两列每条V形沟槽1的宽度固定且相同，宽度25um≤s≤300um，深度固定且相同，沟槽深宽比0＜h/s≤0.9°。
进一步，如图1所示，本实施例提供的人字形沟槽单元还包括过渡平板2，过渡平板2位于所述两列V形沟槽组3的两侧，方便人字形沟槽单元的连接。
进一步，如图3、图4所示，本实施例提供的两列V形沟槽组3宽度SL为0.02m，所述人字形沟槽单元宽度L为0.024m，夹角θ为60°，上述形状的人字形结构的仿生减阻表面最大的降低了壁面摩擦阻力。
优选地，如图5、图6所示，本实施例提供的两列每条V形沟槽1的宽度固定且相同，宽度25um≤s≤300um，每列V形沟槽1深度从中间V形沟槽1往两侧逐条减小，沟槽最大深宽比h/s为0.9，且在垂直于沟槽延伸方向的截面上，每列每条V形沟槽1的顶点在同一直线上。
进一步，如图7、图8所示，本实施例提供的两列V形沟槽每列中间最深V形沟槽1深宽比h/s为0.6，两端V形沟槽深宽比h/s为0，所述两列V形沟槽组3宽度SL为0.024m，夹角θ为60°。
具体的原理是：
在刚性表面或者柔性表面上顺着水流方向加工或者贴覆上表面形貌为本发明提供的人字形沟槽结构的涂层或者薄膜，水流将在人字形结构的仿生减阻表面形成宏观尺度的大涡，不断地把产生湍流的流体运出粘性底层，延迟完全湍流状态的发生，减少了能量的消耗。同时沟槽表面会形成“二次涡群”，是壁面猝发湍流强度变弱，降低了壁面摩擦阻力。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种人字形结构的仿生减阻表面，其特征在于，其由人字形沟槽单元组成，所述人字形沟槽单元包括两列V形沟槽组，每列V形沟槽组由若干条相互平行的V形沟槽构成，所述两列V形沟槽组沟槽延伸方向呈左右对称分布，且每对对称V形沟槽水平截面相交线形成一定的夹角θ，夹角0＜θ≤120°。
2.根据权利要求1所述的人字形结构的仿生减阻表面，其特征在于，所述两列每条V形沟槽的宽度固定且相同，宽度25um≤s≤300um，深度固定且相同，沟槽深宽比0＜h/s≤0.9。
3.根据权利要求1或2所述的人字形结构的仿生减阻表面，其特征在于，所述人字形沟槽单元还包括过渡平板，所述过渡平板位于所述两列V形沟槽组的两侧。
4.根据权利要求3所述的人字形结构的仿生减阻表面，其特征在于，所述两列V形沟槽组宽度SL为0.02m，所述人字形沟槽单元宽度L为0.024m，所述夹角θ为60°。
5.根据权利要求1所述的人字形结构的仿生减阻表面，其特征在于，所述两列每条V形沟槽的宽度固定且相同，宽度25um≤s≤300um，每列V形沟槽深度从中间V形沟槽往两侧逐条减小，沟槽最大深宽比h/s为0.9，且在垂直于沟槽延伸方向的截面上，每列每条V形沟槽的顶点在同一直线上。
6.根据权利要求5所述的人字形结构的仿生减阻表面，其特征在于，所述两列V形沟槽每列中间最深V形沟槽深宽比h/s为0.6，两端V形沟槽深宽比h/s为0，所述两列V形沟槽组宽度SL为0.024m，所述夹角θ为60°。
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