基于微纳结构的舰船仿生减阻的研究

《基于微纳结构的舰船仿生减阻的研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、华中科技大学硕士学位论文1绪论1.1研究背景目前，普通船舶的船壳都采用钢板制成，外表面再涂上油漆即可。由于船壳与水直接接触，水对船体的粘压阻力和摩擦阻力在船体总阻力成分中占了很大一部分。虽然也有一些这方面的措施用以改善水的对船壳的阻力性质，但收效甚微。我国和美国、英国等国家的气垫船是在船底设置刚性围裙而成气室，气垫船航行时由专用鼓风机向气室充气而形成气室空气层，从而实现船舶空气润滑减阻。气垫船在航行时将导致气室空气层的兴波，所以要求气垫船的气室有足够深度才能保证气室空气层在兴波状态仍能覆盖船底。如果能找到一种材料覆盖于船体外壳的

2、表面，也能形成类似气垫船的气室空气层，使一般的船舶也能实现空气润滑，而在船舶设计时本身已经考虑了兴波的问题，这相比气垫船来说将会更具优势。纳米技术的出现，使材料科学在二十一世纪突飞猛进。随着纳米技术的蓬勃发展，MEMS/NEMS（微/纳电子机械系统）应运而生。MEMS/NEMS技术自从产生以来，便以极大的优越性，在国防军事、能源动力、生物医疗以及信息通讯等方面得到快速应用，并覆盖了从生物系统、医疗到流体器件控制、热量运输、微电子技术、光电器件等诸多工业领域。在MEMS/NEMS技术的应用和推广过程中，由于微尺度条件的限制，一些理

3、论不再适用，因此出现了许多新的问题。比如在微型机械电子系统以及纳米器件的设计和应用方面，微尺度流动和传热问题就显得非常突出。因为，在能量转换、换热等过程中，物质和能量传输均发生在一个受限制的微小几何结构当中，而在这一微小空间中，存在流体流动及能量的转换，众所周之，任何不可逆过程中能量耗散必然有一部分是以热的形式表现出来。已经有研究表明，由于微尺度条件的特殊性，常规条件下的流动和换热关系式不再有效，传统流体力学与传热学理论在微尺度条件下已经失效。1华中科技大学硕士学位论文近年来，随着微机械制造技术和纳米技术的飞速发展，各种各样的M

4、EMS/NEMS器件在各个领域得到广泛的运用。比如微小卫星技术的发展及其在通讯和气象等方面的重要应用，使得为其提供轨道保持和转换以及姿态位置精确控[1-2]制的微推进系统受到了各国学者的广泛关注；计算机中使用的硬盘驱动器，其内部读写头和盘面磁道之间的距离要尽可能小而且保持平稳，对读写头和磁道之间气体夹层内的流动和换热进行准确分析和预测对硬盘设计来说也是至关重要的。据[3-4]报道，在最新的IBM硬盘中，读写头和盘面之间的距离已经小于20nm，此时常规的气体流动控制方程已不再适用，使用新的可靠的方法，对其进行分析预测是[5-9]目

5、前科学家们努力的方向。正是由于微机电系统的迫切需求，微纳尺度条件下流体流动规律成为研究人员的重要课题。[10][11][12]HaiandTai、Gad-el-Hak和Stone在他们的综述性文献中引用了一些实验结果，表明通过毛细管道和微型机械管道的液体流动中，沿管道的流动率和压力分布与常规不同，尺度效应在分析结果中很明显，粘度值和常规值相差较大。这些结果表明在某种条件下，微尺度的流动规律和常规理论不一致。越来越多有关微尺度流动的新现象不断被发现，使得学者们掀起了对微尺度流动现象的研究热潮。近20年来，他们已经在实验研究、理论分

6、析以及数值计算等当面做了许多工作，并且取得了一定的进展，这为进一步研究微尺度条件下的流动机制打下了良好的基础。1.2研究现状微纳尺度流动的研究已经有了一定的历史，例如在微型发动机的发展过程中，发现转轴的摩擦问题是一个接触问题，摩擦力的大小和经典摩擦定律f=mN不符，说明了接触问题中的摩擦力问题不同于经典摩擦中的摩擦力问题。在生物医学应用方面，药物的作用、化学DNA分析都需要研究流体的流动问题。由于微观流动的特殊性以及许多还未被发现的不确定性，使得对微尺度流动的研究进展比较缓慢，但是正是那些在微尺度下独有的现象是研究者不断探索的不

7、竭动力。2华中科技大学硕士学位论文[13]最早提出微连续介质(Microcontinuum)理论的是Eringen。1964年他就指出微通道内的流动将会与传统方程的描述有所不同。关于微尺度流动的研究最早可以追[14]溯到1970年两个课题组展开的研究工作，即Wu与Little进行的制冷方面的研究[15]和Terry进行的气相色谱芯片的研究。Little和他的同事主要是制作了芯片上的制冷器，Terry则研究了一种基于微芯片的气相色谱系统，他们的研究成果也成为最早的MEMS器件之一。由于后来加工技术的提高，已经能够制造出小尺度的微型

8、机械装置，用于制造测量压力，温度，速度和质量流的微型传感器，或者作为复杂装置[16-27][28]的核心部分。较早的实验研究则是由Tukermann和Pease在1981年进行。从20世纪80年代后期开始对微通道内的气体和液体进行了大量的实验研究。[29][30