!鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展
鲨鱼皮肤结构及其仿生材料的应用研究
鲨鱼皮肤结构及其仿生材料的应用研究鲨鱼皮肤是自然界中最引人注目的结构之一。
它的结构非常独特，具有良好的防护和减阻特性。
在过去的几十年里，研究人员一直在研究鲨鱼皮肤的结构，以期能够制造出类似的仿生材料。
这种材料有望被应用于飞行器、船舶、水下机器人、医疗设备等领域，提高其飞行和游动效率，以及防护能力。
鲨鱼皮肤的结构鲨鱼皮肤的表面被许多类似于牙齿的小结构覆盖，这些牙齿状的结构称为鳞片。
与其他鱼类的鳞片不同，鲨鱼鳞片的顶部是锥形的，向后倾斜。
当水流经过鳞片时，流线被分隔成多个小流线，从而减小了阻力，并使水流更加平滑地穿过鲨鱼身体。
而且，鲨鱼皮肤表面的小凸起还能增加摩擦力，使鲨鱼在游泳时更易于操控方向和速度。
除了鳞片外，鲨鱼皮肤中还有一种称为粒细胞的结构。
在皮肤里面，粒细胞和鲨鱼神经系统相连，能够探测外部的温度、压力和电场等物理量。
这些感觉器官能够帮助鲨鱼快速找到猎物，同时也能提醒鲨鱼身体周围的危险情况。
仿生材料的应用随着对鲨鱼皮肤结构研究的深入，科学家们逐渐认识到了其在仿生材料制造方面的潜力。
仿生材料是通过模仿生物的结构、物理或化学特性制造出来的一种材料。
仿生材料具有很多优点，如轻量、刚性、柔韧、防护和减阻等性能。
因此，它们在工业、医疗和航空航天等领域有广泛的应用。
目前，仿生材料的应用主要集中在飞行器和船舶领域。
由于鲨鱼皮肤的减阻和防护效果，仿生材料可以应用于翼型表面和船体表面，提高其飞行和游泳效率。
此外，仿生材料还可以被广泛应用于水下机器人、医疗设备等领域。
在水下机器人领域，仿生材料可以使机器人更好地适应水下环境，并提高其操作性和控制性。
在医疗设备领域，仿生材料可以用于制造血管支架、人工关节等医用材料，以及用于修复神经元和人体组织等方面。
总结鲨鱼皮肤结构以其独特的物理特性一直以来都受到科学家的关注。
它将我们的关注从传统的材料转移到了仿生材料，具有更好的应用前景。
通过研究鲨鱼皮肤的结构，人们可以制造出类似的仿生材料，以提高机器人、船舶、飞行器和医疗设备等产品的防护和减阻能力。
大面积鲨鱼皮复制制备仿生减阻表面研究
0.10
8.12
3.0
42.57
0.10
39.76
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3.4
52.90
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49.19
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7.01
3.8
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0.26
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4.2
75.73
0.29
71.73
0.22
5.28
图 8 给出了光滑蒙皮和仿鲨鱼减阻蒙皮平板样 件在试验工况下的阻力曲线对比. 可以看出, 在 2.0~ 4.2 m/s 水速范围内测试板阻力有明显地减小. 图 9 给 出了仿鲨鱼减阻蒙皮在该工况下的减阻率曲线. 减
需要说明的是, 随着水速的变化, 仿鲨鱼减阻蒙 皮的减阻率出现一定程度的波动. 原因可能是: 在试 验过程中, 水流速度是由计算机自动测量的, 存在不 可消除的随机误差, 测得的水速为一定时间范围内 的平均值, 瞬时水速存在一定的波动, 虽然波动很小, 但对测得的阻力值也存在一定的影响, 而且这一影 响在减阻率的计算过程中还被放大; 测试板在较高 水速下存在非周期性的颤振, 虽然振动很小, 但对阻 力天平的测力也存在一定的影响.
鲨鱼皮表面由呈菱形排列的盾鳞(placoid scales) 所覆盖, 盾鳞表面有宽度约 50 µm 的顺流向沟槽, 其 结构如图 1 所示. 此外, 鲨鱼属软骨鱼类, 其盾鳞在种 类、质地、结构以及生长特性方面有别于硬骨鱼类[10,11]: 首先, 硬骨鱼类的鳞片属于骨鳞类型, 扁平且相对柔 软, 而盾鳞是软骨鱼类特有的鳞片类型, 盾鳞呈釉质, 质地非常坚硬(显微硬度 300~350 HV, 在古代被当作 砂纸使用), 由非光滑的鳞棘和深埋在真皮 的基板 构成, 二者构成坚固的悬臂梁结构; 其次, 盾鳞和牙 齿属同源器官(故又称“齿鳞”), 其生长成形过程不同 于骨鳞, 它不随鱼体生长而变大, 其结构只由鲨鱼种 类和生长部位决定, 同一条鲨鱼根据部位不同其沟槽 结构也不尽相同, 但同一部位上鳞片的沟槽结构基本 相同. 由此可见, 鲨鱼皮在预处理过程中能够承受一 定的力、热和化学过程, 而不致破坏其表面结构, 且 预处理后的鲨鱼皮生物模板在强度、硬度、耐热性等 方面能够满足后续生物复制成形工艺要求.
鲨鱼盾鳞仿生起苗铲减阻仿真分析
鲨鱼盾鳞仿生起苗铲减阻仿真分析
霍鹏;李建平;杨欣;许述财
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2023()3
【摘要】针对苹果苗木起苗机作业中铲尖磨损严重、碎土困难、能量损耗大等问题,基于锤头双髻鲨盾鳞的沟槽结构,利用仿生学原理设计了一种鲨鱼盾鳞仿生起苗铲。
借助LS-DYNA软件对仿生起苗铲进行应力应变分析,并与传统起苗铲进行对比试验研究。
结果表明,鲨鱼盾鳞仿生起苗铲最大等效应力为8.085×10-6MPa,等效应变为2.089×10-11,变形远小于设计要求的5mm,验证了设计的合理性;在土壤中作业时,鲨鱼盾鳞仿生起苗铲较传统起苗铲能量损耗平均减小了14.29%,减阻效果明显,满足减阻设计要求。
结构合理、减阻耐磨的鲨鱼盾鳞仿生起苗铲可为进一步提高苹果苗木起苗机作业性能提供技术支撑。
【总页数】7页(P242-248)
【作者】霍鹏;李建平;杨欣;许述财
【作者单位】河北农业大学机电工程学院;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TH122;S232
【相关文献】
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5.基于鲨鱼盾鳞的空气动力学仿生减阻研究
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I09---赵丹阳
Drag reduction technology has become a new energy-saving technology, and it has become a hot topic in the drag-reduction field that imitating the micro-riblets of shark skin to reduce the drag. Due to the disadvantage of complex-structure, hard-replicate, low-precision and high-cost of shark skin, this paper firstly simplify the shark skin micro-riblets structure and optimize the cross-section dimensions, then manufacture the metal mold with shark-skin-inspired micro-riblets structure using the UV-LIGA technology, then design the roll forming experiments of PVC and PET material to emboss the shark-skin-inspired micro-riblets structure, finally analyze the products to study the effect of mold temperature, wheel speed and molding pressure.
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仿生表面减阻的研究现状与进展_马付良
在海洋经济建设和 海 洋 国 防 中 发 挥 着 重 要 作 用 。 海中航行 体 的 运 行 速 度 和 能 量 消 耗 率 是 评 价 其 性能的 重 要 指 标 ， 运行速度决定着航行体的性
；修 回 日 期 ： ；基 金 项 目 ： ＊ 国 家 自 然 科 学 基 金 （ ；浙 江 省 重 点 科 技 创 新 团 队 项 目 收稿日期 ： ２ ０ １ ５－１ ０－１ ２ ２ ０ １ ５－１ １－２ ０ ５ １ ３ ３ ５ ０ １ ０） （ ） ；宁波市创新团队项目 （ ） ２ ０ １ １ Ｒ ５ ０ ０ ０ ６ ２ ０ １ １ Ｂ ８ １ ０ ０ １ ，男 （ ，研究员 ，博士 ；研 究 方 向 ：海 洋 航 行 体 界 面 调 控 与 仿 生 减 阻 ； ：（ ： 通讯作者 ：曾志翔 （ 汉） １ ９ ８ ２－ ） Ｔ ｅ ｌ ０ ５ ７ ４） ８ ６ ６ ８ ５ ８ ０ ９； Ｅ －ｍ ａ ｉ ｌ ｚ ｅ ｎ ｚ ｈ ｘ＠ｎ ｉ ｍ ｔ ｅ ． ａ ｃ ． ｃ ｎ ｇ ；网络出版地址 ： ： ／ ／ ／ ／ ／ 网络出版日期 ： ２ ０ １ ６－０ １－３ ０ １ ７∶０ ９ ｈ ｔ ｔ ｗｗｗ． ｃ ｎ ｋ ｉ ． ｎ ｅ ｔ ｋ ｃ ｍ ｓ ｄ ｅ ｔ ａ ｉ ｌ １ １． ３ ９ ０ ５． ｔ ． ２ ０ １ ６ ０ １ ３ ０． １ ７ ０ ９． ０ ０ ４． ｈ ｔ ｍ ｌ ｐ ｇ ］ （ ） ： 引文格式 ：马付良 ，曾志翔 ，高义民 ，等 ．仿生表面减阻的研究现状与进展 ［ Ｊ ．中国表面工程 ， ２ ０ １ ６， ２ ９ １ ７－１ ５．ＭＡ Ｆ Ｌ， Ｚ Ｅ ＮＧ Ｚ ［ ］ ， Ｘ，ＧＡＯ ｒ ｏ ｒ ｅ ｓ ｓ Ｙ Ｍ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｓ ｔ ａ ｔ ｕ ｓ ａ ｎ ｄ ｏ ｆ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｄ ｒ ａ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｊ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ２ ０ １ ６， ２ ９ ｐ ｇ ｇ ｇ ｇ （ ） ： １ ７－１ ５．
!鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展
鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展3刘 博1,2,姜 鹏1,李旭朝3,桂泰江3,田 黎2,秦 松1(1 中国科学院海洋研究所,青岛266071;2 青岛科技大学化工学院,青岛266042;3 海洋化工研究院,青岛266071) 3973前期研究专项(2005CCA00800) 刘博:男,1983年生,硕士研究生 E 2mail :liu21cnbo @ 秦松:通讯作者,男,1968年生,研究员,博士 E 2mail :sqin @摘要 鲨鱼体表覆有一层细小的盾鳞(Placoid scale ),盾鳞上的脊状突起称为肋条(Riblet ),肋条之间构成具圆弧底的沟槽。
这种沟槽形态的鲨鱼盾鳞肋条结构(Riblet surfaces )具有良好的减阻作用。
从盾鳞的结构、形态和功能出发,详细介绍了鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理及其仿生材料模型的设计与测试方法,概括了目前肋条结构仿生材料的减阻应用情况,并展望了其未来的发展方向。
关键词 仿生材料 鲨鱼皮 盾鳞 肋条结构 沟槽 减阻Drag 2R eduction Bionic R esearch on Riblet Surfaces of Shark SkinL IU Bo 1,2,J IAN G Peng 1,L I Xuzhao 3,GU I Taijiang 3,TIAN Li 2,Q IN Song 1(1 Institute of Oceanology ,Chinese Academy of Sciences ,Qingdao 266071;2 College of Chemical Engineering ,Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042;3 Marine Research Institute of Chemical Industry ,Qingdao 266071)Abstract Fast 2swimming sharks have small placoid scales on their skin ,of which the riblet surfaces (grooved surfaces )can improve swimming performance of these relatively giant fishes.Shark skin 2imitated products have already met needs in several areas.Investigation into the drag 2reduction mechanism of riblet surfaces makes placoid scale a per 2fect object to biomaterial research.In this review placoid scale ′s structure ,shapes and the drag 2reduction f unction of its riblet surfaces are introduced.The development of related hydrokinetic mechanism ,model design ,model test and bionic applications are presented in detail.The f uture development in bionic application of riblet surfaces is also discussed.K ey w ords bionic material ,shark skin ,placoid scale ,riblet surface ,groove ,drag reduction0 前言1936年英国生物学家James Gray 计算发现,当海豚以平均20节泳速游动时,其理论作功能耗是实际摄食能量的7倍,这就是著名的格雷悖论(Gray ′s paradox )[1]。
基于仿生的船体防污减阻协同作用及其进展
基于仿生的船体防污减阻协同作用及其进展随着人们对海洋环境和生态保护意识的逐渐提高，船舶防污减阻技术愈发受到关注。
仿生学是一种以自然界生物体结构、功能和生态系统为蓝本，研究新材料、新结构、新系统和新思想的综合性交叉科学。
近年来，越来越多的科研人员将仿生学应用于船体防污减阻技术，并获得了一定的进展。
减阻技术是提高船舶速度、降低燃油消耗的有效手段。
在仿生学的研究中，海洋生物的身体表面被证明可以降低水流阻力，从而实现减阻的目的。
最具代表性的研究是对鲨鱼皮肤的仿生。
鲨鱼皮肤的表面由数以百万计的细小锥形结构组成，这些锥形结构可以使水流更加流畅地贴在鲨鱼身体表面，从而减少了水的阻力。
仿生学家将鲨鱼皮肤表面的锥形结构应用于船体表面，发现可以大幅度降低水流阻力，从而使船体速度得到提高，同时减少燃油消耗。
除了减阻技术，防污技术也是船体保护的重要手段。
船底长期暴露在海水中，会受到来自贝藻类、海洋微生物等生物的污染，这些生物依附在船底表面形成附着生物群落，导致船体表面光滑度降低，增加水流阻力，同时也会降低船体的耐腐蚀性能，直接威胁船舶的安全。
在仿生学的研究中，海洋生物的身体表面被证明具有防污的能力。
例如在贝类壳体表面的微观结构中，存在高度分层有序的钙化后的有机物层，这种有机物层上的微观结构可以减少贝类表面被附着的生物数量和吸附能力，从而减少污染的发生。
仿生学家将贝类壳体表面的微观结构应用于船体表面，发现可以减少船底附着生物的数量和生物的吸附能力，从而实现了防污的目的。
仿生技术在船体防污减阻技术中的应用，不仅可以提高船体的性能，同时还可以减少环境污染。
例如，使用仿生技术可以减少船底附着生物的数量，从而减少生物的损伤和死亡，对于海洋环境的保护具有积极的作用。
在仿生技术的研究中，存在一些挑战和问题，例如如何将仿生技术与传统船体构造相结合、仿生技术的可靠性和强度等问题。
此外，仿生技术的应用需要跨学科的交流和合作，包括材料学、生物学、机械学等多个学科。
鲨鱼盾鳞3D打印复制工艺研究
２ ０ １ ７年 １ １ 月
塑 料 业
ＣＨＩ ＮＡ Ｐ ＬＡＳ ＴＩ ＣＳ Ｉ ＮＤＵＳ ＴＲＹ
鲨 鱼 盾鳞 ３ Ｄ打 印复 制 工 艺 研 究 术
孙 延 刚 ，梁彦 超 ，郗 昊 ，韩 鑫
（ 山东理Ｔ大学农业Ｔ程与食 品科学学 院，山东 淄博 ２ ５ ５ ０ ０ ０ ）
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维 模 型 。 以尼 龙 、未来 ８ ０ ０ ０树 脂 为 ３ Ｄ打 印线 材 ，成 功 打 印 复 制 ｆ ｛ Ｉ 具 有 鲨 鱼 盾鳞 肋 条结 构 的仿 生 阴 、阳模 板 ，为 功
能性 生物表面的高精度 、微尺度复制提供了新的思路方法 。 关键词 ：盾鳞 肋条结 构 ；３ Ｄ打 印技 术；数字 建模 ；仿生模板
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鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展3刘 博1,2,姜 鹏1,李旭朝3,桂泰江3,田 黎2,秦 松1(1 中国科学院海洋研究所,青岛266071;2 青岛科技大学化工学院,青岛266042;3 海洋化工研究院,青岛266071) 3973前期研究专项(2005CCA00800) 刘博:男,1983年生,硕士研究生 E 2mail :liu21cnbo @ 秦松:通讯作者,男,1968年生,研究员,博士 E 2mail :sqin @摘要 鲨鱼体表覆有一层细小的盾鳞(Placoid scale ),盾鳞上的脊状突起称为肋条(Riblet ),肋条之间构成具圆弧底的沟槽。
这种沟槽形态的鲨鱼盾鳞肋条结构(Riblet surfaces )具有良好的减阻作用。
从盾鳞的结构、形态和功能出发,详细介绍了鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理及其仿生材料模型的设计与测试方法,概括了目前肋条结构仿生材料的减阻应用情况,并展望了其未来的发展方向。
关键词 仿生材料 鲨鱼皮 盾鳞 肋条结构 沟槽 减阻Drag 2R eduction Bionic R esearch on Riblet Surfaces of Shark SkinL IU Bo 1,2,J IAN G Peng 1,L I Xuzhao 3,GU I Taijiang 3,TIAN Li 2,Q IN Song 1(1 Institute of Oceanology ,Chinese Academy of Sciences ,Qingdao 266071;2 College of Chemical Engineering ,Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042;3 Marine Research Institute of Chemical Industry ,Qingdao 266071)Abstract Fast 2swimming sharks have small placoid scales on their skin ,of which the riblet surfaces (grooved surfaces )can improve swimming performance of these relatively giant fishes.Shark skin 2imitated products have already met needs in several areas.Investigation into the drag 2reduction mechanism of riblet surfaces makes placoid scale a per 2fect object to biomaterial research.In this review placoid scale ′s structure ,shapes and the drag 2reduction f unction of its riblet surfaces are introduced.The development of related hydrokinetic mechanism ,model design ,model test and bionic applications are presented in detail.The f uture development in bionic application of riblet surfaces is also discussed.K ey w ords bionic material ,shark skin ,placoid scale ,riblet surface ,groove ,drag reduction0 前言1936年英国生物学家James Gray 计算发现,当海豚以平均20节泳速游动时,其理论作功能耗是实际摄食能量的7倍,这就是著名的格雷悖论(Gray ′s paradox )[1]。
问题的提出引发了对海洋大型快速游泳动物减阻仿生学的研究。
其后,由于鲨鱼盾鳞肋条结构(也称为沟槽结构)为刚性结构并具规律排列特性,便于模仿,逐渐成为减阻仿生学中的主要研究对象。
人类的技术系统在解决运输工具速度方面过于依靠能量的使用,海洋中的快速鲨鱼(Fast 2swimming shark )却在漫长的进化中获得了优异的减阻能力。
深入研究表明,快速鲨鱼体表覆盖着一层独特的盾鳞,通过优化鲨鱼体表边界层的流体结构,能有效减小水阻,从而降低能量依赖度,获得极高的速度。
Walsh 等的流体动力学试验表明:在高速流体流动状况下,盾鳞肋条结构表面的减阻效果高达8%[2,3]。
近年来,肋条结构的减阻仿生学研究获得了更多关注与发展,在航空[4]、泳衣及管道[5]等应用领域已逐步迈向应用。
本文从鲨鱼盾鳞的组织结构、形态和功能出发,对鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理、仿生材料模型的设计和测试,以及减阻应用进行了系统的介绍,并对其未来的研究方向进行了展望。
1 盾鳞的组织结构、形态和功能1.1 盾鳞的组织结构盾鳞是包括鲨鱼在内的一些软骨鱼类所特有的鳞片,也是现生鱼类中最原始的一种鱼鳞(图1(a ))。
盾鳞与牙齿在进化上同源,具相似的组织结构[2,6],其最外层为珐琅质,中间层是象牙质,中央是髓腔(图1(b ))。
盾鳞的这种刚性组织结构有利于对其进行结构仿生研究。
图1 盾鳞的一般形态与组织结构Fig.1 G eneral shape and structure of the placoid scale1.2 盾鳞形态与功能的多样性鲨鱼盾鳞的径向长度通常在1mm 以内,其形态因鲨鱼种・41・材料导报 2008年7月第22卷第7期类和身体部位而异,是分类学的依据之一。
盾鳞是具多种生物功能的统一体,但其形态与主要功能紧密对应。
1978年Reif总结出4种鲨鱼盾鳞形态与其主要功能的对应关系[7]:具有防磨损功能的盾鳞通常厚并呈球状突出[8-10];防御功能型盾鳞为钉状和刺状[8];起感觉器官载体作用的盾鳞,其中作为发光器官载体的盾鳞的形态被细分为短粗形、细长钩形、长刚毛形和凹冠形[10,11];本文关注的具减阻作用的快速鲨鱼的盾鳞,形态多为盘状,前后呈覆瓦状排列。
脊状肋条呈纵向排列在盾鳞冠上,而在肋条之间形成了圆弧底状的沟槽(图1(a))[7,8],这种沟槽状的表面结构被称之为肋条结构。
此外,盾鳞的其它生理功能还包括:抗体表寄生动物附着[12]、协助捕食[13]、协助孵化[8,9,14]以及防止生物污损[15]等。
1.3 快速鲨鱼盾鳞的形态与功能与其它鲨鱼相比,能高速游动的快速鲨鱼的盾鳞肋条结构有两个共同的显著特征:①肋条普遍具有锋利的尖顶和圆弧底的沟槽;②肋条高度一般低于30μm,间距小于100μm[16,17]。
Raschi等的研究表明,在快速鲨鱼体表的不同部位(水流存在细小差别)盾鳞的大小与肋条形态均表现出特异性差异。
在对短尾真鲨(Carcharhinus obscurus)体表15个位点的盾鳞样品进行扫描电镜观察中发现,体形最小的盾鳞集中分布在第一背鳍之前的体表区域,。
对肋条高度和间距进行统计学比较发现,第一背鳍前的盾鳞,其数值较腹鳍周围盾鳞低25%。
此外,对丝鲨(Carcharhinus falcifor2 mis)的统计学比较也支持上述规律[14]。
快速鲨鱼体表不同部位的盾鳞形态反映了对减阻功能的适应性。
鱼鳍前缘的盾鳞表面较为光滑,而鱼鳍侧面盾鳞的中央肋条则呈现“V”型结构。
前者与该处边界层很薄有关,后者则有利于防止流体分离[18]。
总之,同源性起源决定了不同种类鲨鱼的盾鳞在组织结构上具有相同的核心特征;然而在漫长的进化过程中,生存竞争使得盾鳞分化出各种特殊的表面结构。
快速鲨鱼盾鳞独特的肋条结构及其形态和功能在体表不同部位间的差异性(适应性),对于开展盾鳞肋条结构的仿生材料设计具有重要的指导意义。
2 盾鳞肋条结构的减阻机理研究流体低速流动时,与流体接触的表面越光滑,所受阻力越小。
然而在高速流体流动状况下,光滑平板表面上浊流边界层中的压力和速度存在着严重的不均匀分布,导致流体阻力增加和动量交换损失;相反,仿鲨鱼皮盾鳞肋条结构的沟槽表面能改善流经它的浊流边界层的流体结构和流动状态,因而较光滑,表面具有更好的减阻效果[19,20]。
到目前为止,相关的流体力学研究对肋条结构的减阻机理已经提出了多角度的解释。
2.1 减小剪切压力Choi等在肋条结构减阻实验中发现,当流体沿肋条延伸方向流动时,由于肋条结构中肋条的间距小于浊流流体中径向涡旋的横向宽度,使得大多数径向涡旋不能进入沟槽的内部而处于肋条结构的上方,只与肋条尖顶发生小面积接触,因而显著减小了对沟槽内壁的剪切压力[21]。
Lee等进行的流体结构可视化研究得出,处于沟槽中间的流体比外部的流体平静。
在贴近肋条结构的浊流亚层中,流体的波动速度和浊流动能的数值也相对小[22]。
因此,肋条结构表面通过减少与流体的有效摩擦面积和摩擦强度,。
2.2 阻滞横向涡旋径向涡旋在下冲运动时会与肋条尖顶发生接触,使得涡旋的横向扩张受到肋条结构的阻滞,进而使其径向的伸长扩张同样受到限制,从而减少了浊流边界层中流体的动量损失,降低了表面摩擦阻力[23]。
Bechert和Bartenwerfer发现肋条的尖顶在这一过程中起主要作用[24]。
进一步的实验验证了肋条结构能够抑制流体横向流动的作用[25,26]。
Bechert等认为,在测试平板上方一定距离,一个三维的浊流涡旋分别施加在流体流动方向(径向),与横向的剪切压力在强度上有很大差异。
由于径向流的起始点接近沟槽底部,而横向流的起始点接近肋条的顶端,因而受到的剪切压力相应较大,导致浊流涡旋横向流动的强度被削弱[27]。
2.3 诱发次级涡旋(Secondary vortex)Bacher与Smith研究发现,肋条尖顶与流体的相互作用可形成与径向涡旋旋转方向相反的次级涡旋,进一步推测次级涡旋可削弱径向涡旋的强度,阻碍与流体流动方向垂直的横向波纹的形成,从而降低流体横向的动量交换,减少能量损失[28]。
Suzuki等[29]和Lee等[22]的研究证实,在肋条尖顶的附近确有次级涡旋产生,并且肋条结构能阻止浊流流体动能由径向往横向的转换。
Djenidi和Antonia的研究进一步表明,次级涡旋本身引起的阻力对减阻效果的影响相对较小[30]。
2.4 防止流体分离快速鲨鱼的胸鳍上侧面在水中游动时会承受较大的逆压。