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1、2005年9月润滑与密封Sep12005第5期(总第171期)LUBRICATIONENGINEERINGNo15(serialNo1171)3仿鱼鳞的减阻表面设计汪久根张建忠(浙江大学机械工程系浙江杭州310027)摘要:基于对鱼鳞减阻原理的分析,讨论了不同鱼类表面的牺牲性粘液减阻、表面切向流减阻两种原理;提出了针对不同粘度介质中的运动物体,应采用相应的减阻表面设计;分析了鱼鳞的结构布置与几何曲线,提出了模仿鱼鳞原理与结构进行减阻表面仿生设计的方法,这对在水和其它流体中运动的机械表面减阻设计具有指导意
2、义。关键词:仿生设计;表面结构;鱼鳞;减阻中图分类号:TH117文献标识码:A文章编号:0254-0150(2005)5-019-2BionicSurfaceDesignImitatingFishScalesWangJiugenZhangJianzhong(DepartmentofMechanicalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)Abstract:Basedontheanalysisoffrictionreductionoffis
3、hscales,twotypesoffrictionreductionmechanismsoffisheswerereveled.Onetypeisscarifyingofviscousfluidsonfishsurfaces,andtheothermechanismisthesurfacepatternofsomefishesthatreducesthetractionattheinterfacebetweenfishandwater.Basedonthestudyofthepatternandsha
4、peoffishscales,thebionicdesignmethodwasproposedasresultsofimitatingtheprincipleandstructureoffishscales.Theobtainedresultscanbeusedtotrigthebionicdesignofmachinerysurfacesforfrictionreductioninwaterandotherfluids.Keywords:bionicdesign;surfacestructure;fi
5、shscale;tractionreduction自然界的生物体已有40亿年的进化历史,自然鳞结构(鳊鱼);图1(c)为鲫鱼鱼鳞形状,参加表界中存在很多的巧妙的原理与结构,人们对其进行研面与水摩阻的为一段边缘是圆弧曲线表面。美国学者究与探索,有利于技术创新。1960年美国科学家首在研究鱼鳞的减阻效应时推测鱼鳞造成了鱼皮表面在次提出了仿生设计。动物的运动原理是仿生设计中的运动时的微小紊流,从而鱼只需克服较小的阻力即可[6]重要内容之一,例如达芬奇的模拟鸟的飞机设计等。快速运动。为了科学地解释鱼鳞在鱼运动过
6、程中的鱼类在水中的运动也是人们长期以来研究的课作用,需要拓宽对表面运动与表面设计的研究。[1]题。无鳞的鱼类,例如海豚,是利用身体表面的粘液来减少运动阻力,粘液在鱼的运动过程中要被水带走一部分,鱼类不断地分泌粘液以保证表面的减阻特[2,3]性,这类减阻方式为牺牲性减阻方式。另一种鱼类减阻方式是采用不同形式的鱼鳞设计来达到减阻的目的。人们对蛇的腹部鳞片的防滑作用已有清楚的认识,但对鱼鳞的减阻表面设计、减阻原理仍缺乏研[4,5]究,而表面减阻研究对流体机械、管道、船只和潜艇等机械设备的设计有重要意义。本文作
7、者探讨了鱼鳞表面减阻原理,在此基础上研究了仿生减阻表面设计。1鱼鳞的形态鱼类的鱼鳞结构有如图1所示的两种,图1(a)为较大的鱼鳞结构(鲫鱼);图1(b)为较小的鱼图1鱼鳞的结构3基金项目:国家自然科学基金资助项目(50175099)1一般鱼在运动的水中游动,并不一定在静止的水收稿日期:2004-11-09中运动,因此有必要研究如图2所示环境中鱼表面的作者简介:汪久根(1963-),男,教授,工学博士,从事摩擦运动流动的速度场与流动形态。目前,对月球引起的学与仿生设计等研究1E2mail:me_jg@pu
8、blic1zju1edu1cn1潮汐已有较丰富的研究成果;另一方面对水中的表面20润滑与密封总第171期波也有较系统的研究结果。但是对流动水中的中间区运动物体的表面,一般采用低摩擦因数的材料,例如域尤其是该区域的表面流动仍缺乏研究。本文提出应目前潜艇表面采用PTFE涂层,来减少表面摩擦阻研究在图2环境下的中间区域水流的速度场、压力力。但对表面结构设计仍是空白。场。这方面的研究还有待系统地建模。本文在鱼鳞形态学本文提出如图3所示分析的基础上,
