仿生鲨鱼皮滚压成型表面减阻数值模拟研究
具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介_李光吉
以减阻为目标 , 国内外研究机构对鲨鱼皮表面 结构仿生与应用进行了探索 .美国宇航局将仿鲨鱼 皮的肋条结构(如图 4 所示)应用于飞行器和船舶表 面以减少阻力 .他们在 NACA 0012 飞机的表面贴 上 V 型沟槽膜后 , 阻力减少了 6 .6 %[ 9] .这一肋条减 阻原理也成 功地应 用于美 国“星 条旗” 帆船比 赛 . S PEEDO 公司 还研发 出了仿 鲨鱼皮 的泳 衣 , 并在 2000 年悉尼奥运会上创造了奇迹 .2004 年 , 该公司 在雅典奥运会上又推出了“鲨鱼皮”第二代产品 ———
船舶在运动时 , 由表面摩擦所引起的阻力约占 总阻力的 70 %～ 80 %, 在高速运动时 , 摩擦阻力约 占总阻力的 40 %左右 .现代民用飞机在飞行时表面 摩擦阻力几乎占总阻力的 50 %, 管道运输中 80 %以 上的能量消耗在表面摩擦阻力上[ 1] .因此 , 减小运动 物体表面与流体之间的摩擦阻力对于设计和制造流 体输送设备 、交通工具等都是非常必要的 .设计和制 备具有减阻功能的新材料无疑是实现节能降耗的重 要途径之一 .
F AST SKINFS II 泳衣(图 5), 该泳衣充分运用了仿 生学原理和新技术 , 性能更加接近鲨鱼皮的特性 .以 疏水的含氟弹性体为主要材料 , 通过压迫身体来降 低阻力[ 10-11] .张德远教授等人[ 12-13] 也注意到了鲨鱼 皮的减阻效应 , 利用生物约束成形法复制了鲨鱼皮 的微观形貌 , 得到以高分子为基体的仿生鲨鱼皮 .将 这一仿生材料用于管道减阻试验 , 结果显示 , 阻力比 普通管道减少了 8 %.深圳百安 百科技公司的研发 人员已就鲨鱼皮盾甲鳞结构在高分子基材上的微复 制方法进行了初步探索 , 尝试了电铸法 、弹性印章等 微复制方法 , 得到了表面具有鲨鱼皮微结构的高分 子膜材 .图 6 为用不同的高分子为基材制备的仿鲨 鱼皮膜材的表面结构 .
鲨鱼皮泳衣的原理
鲨鱼皮泳衣的原理
鲨鱼皮泳衣是一种专门为游泳运动员设计的高科技泳衣，它采用了仿生学原理，模仿了鲨鱼皮肤的纹理和结构，以达到减阻增速的效果。
这种泳衣在游泳比赛中被广泛使用，因为它能够显著提高游泳者的速度和效率。
那么，鲨鱼皮泳衣究竟是如何实现这一效果的呢？
首先，鲨鱼皮泳衣采用了高科技的材料，如聚氨酯纤维等，这些材料具有极低
的摩擦系数和优异的弹性，能够减少游泳时的水阻力，提高游泳速度。
其次，鲨鱼皮泳衣的表面纹理模仿了鲨鱼皮肤的细小齿状结构，这种结构能够在水中形成微小的涡流，减少了水流对游泳者身体的摩擦，进一步减小了水阻力。
此外，鲨鱼皮泳衣还采用了紧身设计，能够减少游泳者身体在水中的摆动，使游泳动作更加流畅，并减少了水流对身体的干扰，从而提高了游泳效率。
除了以上几点，鲨鱼皮泳衣还利用了流体动力学原理，通过科学的设计和结构
优化，使得泳衣在水中的运动更加符合人体力学特性，减小了游泳时的能量损耗，提高了游泳者的速度和耐力。
此外，鲨鱼皮泳衣还具有一定的浮力，能够帮助游泳者更好地保持姿势，降低身体下沉的程度，减小水流对身体的阻力，进一步提高了游泳效率。
总的来说，鲨鱼皮泳衣能够提高游泳者的速度和效率，主要得益于其采用了高
科技材料、仿生学设计和流体动力学原理。
这种泳衣的问世，为游泳运动员带来了巨大的帮助，使他们能够在比赛中取得更好的成绩。
随着科技的不断进步，相信鲨鱼皮泳衣的原理和设计也会不断得到改进和完善，为游泳运动员创造更好的竞技环境。
动物风阻系数
动物风阻系数（一）动物风阻系数概念风阻系数是一个数学参数，用于计算物体在空气流动中所产生的阻力大小。
动物表皮的风阻系数也引起了科学家们的研究兴趣。
例如，海豚在水中游动的阻力极小，这引发了对其皮肤抗阻力特性的研究。
（二）动物风阻系数研究现状动物表皮的风阻系数是一个复杂且令人兴奋的研究领域，许多科学家都在努力解析不同物种如何优化自己的皮肤结构以减小空气或水的阻力。
近期的研究进展中，德国研究所的工程师研制出一种仿鲨鱼皮的表面涂层，将其安装在一台风电机的叶片上进行测试，实验结果显示这种涂层可以使叶片的升阻比提高30％以上，这显示了仿生学在减阻领域的巨大潜力。
另一方面，有研究尝试直接复制水下低阻动物如鲨鱼坚硬表皮的形貌，以此制造出更接近生物原型的仿生减阻表面。
这些尝试不仅有助于我们理解自然界中的优化设计原理，也为实际应用提供了可能，特别是在航空航天领域。
（三）动物风阻系数研究意义动物表皮的风阻系数研究对于深入理解自然界中的优化设计原理，具有重要的科学价值。
例如，仿生学的研究可以帮助我们模仿海豚等水下生物的皮肤结构以减小水阻，甚至开发出一种仿鲨鱼皮的表面涂层，用于提升风电机组的工作效率，德国研究所的工程师已经证实了这种涂层可将叶片的升阻比提高30％以上。
此外，对动物表皮的微结构进行仿生复制，也可以产生与生物原型接近的减阻表面。
这项研究的应用潜力也非常广泛。
在航空航天领域，减阻技术的进步能够提高飞行器的空气动力性能，并因此节约燃料，降低运营成本。
而在国防、工业生产和日常生活中，仿生减振降噪技术也有着广泛的应用前景。
这些实际应用不仅能推动相关产业的发展，而且能改善人类的生活质量。
（四）动物风阻系数研究方向及趋势动物表皮的风阻系数研究方向多元且深入。
一方面，研究焦点在与理解海豚等大型海洋动物如何通过优化其皮肤结构以减小水阻。
例如，美国科学家团队曾录制了两只海豚游动的过程，以期揭示其皮肤的抗阻力特性。
同时，对鲨鱼皮肤的研究也日益深入，因为鲨鱼皮肤表面存在少量黏液并且其表面有独特的沟槽构造。
仿水生动物皮层消声结构消声机理的研究分析
仿水生动物皮层消声结构消声机理的研究分析力学与工程科学系郑悦、郭泓指导老师：马建敏摘要：运用仿生学原理，研究鲨鱼表皮结构，对鲨鱼皮盾鳞结构所具有的多孔吸声材料和共振吸声结构的特性进行了探讨，对入射声波反射情况作出了声线分析，并提出了仿生优化设想，证明鲨鱼皮结构确实具有消声性能，有望运用于各种消声设施中。
关键字：鲨鱼皮、盾鳞、多空吸声材料、共振吸声结构、声线分析Abstract: Through the way of bionics, the acoustics features of the structure of shark skin are explored. This paper mainly discusses the porous and structural resonance sound-absorbing features of placoid scale of shark skin, analyses the sound ray and proposes the optimization of this structure. The result of the analysis proves that the structure of shark skin has the capability of noise reduction and it is likely to be applied to various noise reduction facilities.Key words: shark skin, placoid scale, porous sound-absorbing material, resonance sound-absorbing structure, sound ray analysis.引言通过仿生设计新的功能材料已被证明是一种非常重要的手段。
仿生不但可以大大缩短结构的设计周期，而且可以提高设计的成功率，成为当代科研工作者的重点研究领域。
鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述
第２１卷第４期２０１４年８月塑性工程学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．２１Ｎｏ．４Ａｕｇ．２０１４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１４．０４．０１２鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述＊（北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室，北京１０００２４）刘宝胜吴为曾元松摘要：鲨鱼体表的盾鳞沟槽结构具有显著的减阻效果。
鲨鱼仿生沟槽结构的应用涉及航空、舰艇、汽车、管路运输、风力发电等领域。
鲨鱼皮沟槽结构的仿生制造主要有两个途径，即沟槽结构形式与鲨鱼盾鳞仿真结构形式。
文章针对沟槽结构的微槽滚压、金刚石多轮廓磨削、飞秒激光烧蚀等制造技术，及鲨鱼盾鳞仿真结构的微压印法、固化法、微电铸法、微纳米滚压法、软刻技术等进行了综述，并对鲨鱼皮仿生结构制造技术进行了展望。
关键词：鲨鱼盾鳞；仿生结构；减阻；制造技术中图分类号：Ｖ２６文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２０１２（２０１４）０４－００５６－０７ＲｅｖｉｅｗｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈａｒｋｓｋｉｎｂｉｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅＬＩＵＢａｏ－ｓｈｅｎｇＷＵＷｅｉＺＥＮＧＹｕａｎ－ｓｏｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２４Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｈａｒｋｓｋｉｎｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｅｆｆｅｃｔｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｂｉｏｎｉｃｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｓｕｃｈａｓａｖｉａｔｉｏｎ，ｎａｖａｌｖｅｓｓｅｌｓ，ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｓ，ｐｉｐｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｏｎｉｃｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｗｏｓｔｙｌｅｓ：ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｈａｒｋｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ａｓｔｏｔｈｅｆｏｒｍｅｒｓｔｙｌｅ，ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏ－ｒｉｂｌｅｔｒｏｌｌｉｎｇ，ｄｉａｍｏｎｄｐｒｏｆｉｌｅｇｒｉｎｄｉｎｇ，ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎａｒｅｒｅ－ｖｉｅｗｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏ－ｔｈｅｒｍａｌｐｒｅｓｓｉｎｇ，ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏ－ｃａｓｔｉｎｇ，ｍｉｒｃｏ／ｎａｎｏ－ｒｏｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｒｅａｌｓｏｒｅｖｉｅｗｅｄｆｏｒｔｈｅｌａｔｔｅｒｓｔｙｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｒｋｓｋｉｎｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅ；ｂｉｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ引言鲨鱼体表由菱形排列的盾鳞（ｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅｓ）覆盖［１］，呈现肋条状的表面结构，如图１所示。
边界和混合润滑下仿鲨鱼皮织构的减摩性能
1 引言
科学家们经过长期研究发现并验证了袁 相互接触并运动的两 个物体的表面并不是越光滑其表面的减摩效果越好遥科学家们根据 鲨鱼皮排列有序而又独特的结构袁在船舶和飞机表面加工有特殊形 状和排列规律的织构袁取得了很好的减阻效果遥 那么在摩擦严重的 机械结构和装置中袁仿鲨鱼皮织构表面能否起到减摩效果呢钥
机械设计与制造
第 10 期
166
酝葬糟澡蚤灶藻则赠 阅藻泽蚤早灶 驭 酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻
圆园19 年 10 月
边界和混合润滑下仿鲨鱼皮织构的减摩性能
周刘勇袁刘 政袁张 伟袁赵海生
渊 江西理工大学机电工程学院袁江西 赣州 341000冤
摘 要：鲨鱼皮体表的盾鳞结构上呈现细小的肋条袁形成了一种非光滑表面的沟槽袁并具有明显的减阻效果遥 探究盾鳞结 构的表面特征袁将其应用到机械表面摩擦中达到减摩效果遥 根据肋条曲线拟来进行拟合袁重新构建仿鲨鱼皮织构表面模 型袁并在 45 钢表面制备出织构化的试样曰之后采用 MM-P2 摩擦磨损试验机袁考察织构化对光滑表面摩擦性能的影响曰研 究结果明院200N 载荷条件下袁凸起型织构的 45 钢表面袁相比未织构表面袁仿鲨鱼皮织构面的摩擦系数在边界润滑和混合 润滑下分别降低 9.52%和 11.06%遥 关键词：盾鳞；45 钢；仿鲨鱼皮织构；边界和混合润滑；减摩 中图分类号：TH16曰TB17曰TH117 文献标识码院A 文章编号院员园园员-3997渊 圆园19冤 10-0166-04
前期研究发现在一定的条件下袁不同形状的凹坑如院圆形凹 坑[1]尧双曲抛物面凹坑[2]尧正方形凹坑[3]菱形[4]等都能改善材料表面 的摩擦性能[5-7]遥 且相同形状的凹坑不同的参数渊 如凹坑深度和凹 坑尺寸冤 对织构表面摩擦性能影响的效果也各不相同遥 当然摩擦 机理也有不同的解释院干摩擦袁表面凹坑能够捕捉和容纳磨屑袁减 少了犁沟效应和粘附摩擦的产生[8-9]曰边界润滑袁随着表面织构的 摩擦磨损袁凹坑中存储的润滑油逐渐溢出袁起到了连续润滑的作
鲨鱼皮的仿生原理
鲨鱼皮的仿生原理鲨鱼皮的仿生原理鲨鱼皮是一种具有特殊结构的材料，能够在水中快速游动，并且不易被污染物附着。
这种材料的独特性质得益于其仿生原理。
本文将从分子层面、微观结构和宏观性质三个方面详细介绍鲨鱼皮的仿生原理。
一、分子层面1.1 表面化学特性表面化学特性是影响材料表面性质的重要因素。
鲨鱼皮表面具有一种称为“超疏水”的特性，即水滴在其表面上呈现出高度球形而不易滑落。
这是由于鲨鱼皮表面存在大量的氟碳化合物，使其表面能量非常低，从而阻止了水分子与其接触。
1.2 磷脂双分子层磷脂双分子层是构成细胞膜的基本单位，也是构成许多仿生材料的基础单元之一。
在鲨鱼皮中，磷脂双分子层具有非常紧密的排列方式，形成了一种称为“表皮层”的特殊结构。
这种结构不仅可以防止水分子进入材料内部，还能够减少摩擦力，提高材料的流动性。
二、微观结构2.1 龙骨结构龙骨是鲨鱼身上的一种硬质组织，具有非常坚固的特性。
在仿生材料中，龙骨结构被用来增加材料的强度和刚度。
在鲨鱼皮中，龙骨结构被模拟成一种称为“竖毛”的微观结构。
这种竖毛可以增加表面积和流动性，从而提高材料的耐磨性和抗污染能力。
2.2 三角形鳞片三角形鳞片是覆盖在鲨鱼身上的一种具有特殊形状的组织。
在仿生材料中，三角形鳞片被用来增加材料表面的摩擦力和稳定性。
在鲨鱼皮中，三角形鳞片被模拟成一种称为“纤维素板”的微观结构。
这种纤维素板具有非常坚硬的特性，并且可以形成一种类似于三角形鳞片的结构。
三、宏观性质3.1 流体动力学特性流体动力学特性是影响材料在水中运动的重要因素。
在仿生材料中，流体动力学特性被用来优化材料的流线型和减少阻力。
在鲨鱼皮中，流体动力学特性被模拟成一种称为“鲨鳍”的宏观结构。
这种鲨鳍具有非常坚硬和柔软的特性，可以自由弯曲和扭转，从而提高材料在水中的机动性和速度。
3.2 自清洁能力自清洁能力是指材料表面能够自行清除污染物的能力。
在仿生材料中，自清洁能力被用来减少污染物对材料表面的附着，并且保持其表面光滑和干净。
仿生学发明的例子大全
仿生学发明的例子大全
仿生学是研究生物学原理并将其应用于工程和技术领域的学科。
下面是一些仿生学发明的例子：
1. 鲨鱼皮纹理减阻涂层：仿生学研究发现鲨鱼的皮肤纹理可以减少流体阻力，于是科学家们开发出一种仿生材料，可以应用于船舶或飞机等物体表面，从而减少阻力，提高速度。
2. 花粉仿生尘埃传感器：模仿花粉振动的微小变化，科学家开发了一种尘埃传感器，可以准确检测空气中的微粒物质浓度，并提供空气污染的实时数据。
3. 蓮葉效應抗污塗層：蓮葉效應是仿生學上的一個領域，研究人員擷取蓮葉表面的微小結構，開發出防污塗料。
這種塗層具有自潔效果，能夠抵抗水、油、雜質等污染物。
4. 像鸟的翅膀的飞机机翼：研究鸟类飞行的原理，科学家们发现鸟的翅膀具有独特的形状和结构，通过模仿鸟的翅膀设计飞机机翼，可以提高飞机的升力和稳定性。
5. 蚁群算法优化算法：模仿蚁群行为，科学家们开发了一种优化算法，可以解决复杂的问题，如路径规划、任务分配等。
蚁群算法通过模拟蚂蚁找到食物的行为，寻找最优解。
6. 能量自回复材料：仿生学研究发现一些生物能够自行修复受损的组织，科学家们开发出了能够自动修复损伤的材料，可应用于建筑材料、电子设备等领域，提高材料寿命和性能。
7. 毛细管结构供水系统：受植物细小的毛细管结构启发，科学家们设计了一种新型的供水系统，可以通过毛细管效应将水输送到远距离或高处，为干旱地区提供可靠的供水。
这只是一小部分仿生学发明的例子，仿生学的应用领域非常广泛，科学家们不断地在不同领域探索生物学的奥秘，寻找灵感，创造出更多创新的发明。
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Modeling and Simulation 建模与仿真, 2018, 7(2), 63-75 Published Online May 2018 in Hans. http://www.hanspub.org/journal/mos https://doi.org/10.12677/mos.2018.72009
文章引用: 杨雪峰, 赵丹阳. 仿生鲨鱼皮滚压成型表面减阻数值模拟研究[J]. 建模与仿真, 2018, 7(2): 63-75. DOI: 10.12677/mos.2018.72009
Study on Numerical Simulation of Drug Reduction on the Bionic Surface of Shark Skin Fabricated by Roller Embossing
Xuefeng Yang, Danyang Zhao* School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning
Received: May 5th, 2018; accepted: May 23rd, 2018; published: May 30th, 2018
Abstract U-shaped riblet could be pressed on the polymer films by wire winding roller embossing. In the process, the size and structure characteristic of micro-riblets are significantly influenced by the embossing deformation process parameters and the diameter of stainless steel wires. The numer-ical simulation of micro-riblet drag reduction has also been performed on basis of the riblets ob-tained by roll-to-roll embossing process. And the influence of micro-riblet size and structure on turbulent drag reduction has been revealed in three-dimensional incompressible turbulent flow. We find the turbulent drag reduction could be achieved when the micro-riblet size is small enough in the simulation. When the diameter of the micro-riblet is 0.02 mm, the drag reduction rate could be up to 10%. The influence of external interference on micro-riblet drag reduction is further stu-died by adding turbulence through a vortex generator and it intuitively shows vortex structure on micro-riblet also affects drag reduction. The micro-riblet drag reduction effect is more obvious when the flow is under the interference of turbulence.
Keywords Wire Winding, Roller Embossing, Micro-Riblet Structure, Drag Reduction, Vortex Structure
仿生鲨鱼皮滚压成型表面减阻数值模拟研究 杨雪峰，赵丹阳* 大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连
收稿日期：2018年5月5日；录用日期：2018年5月23日；发布日期：2018年5月30日 *通讯作者。 杨雪峰，赵丹阳 DOI: 10.12677/mos.2018.72009 64 建模与仿真
摘 要 通过绕丝和滚压成型工艺在聚合物薄膜上压印出U形沟槽，滚压过程中钢丝的直径和滚压成型工艺决定了沟槽的尺寸和形状。在实际成型效果的基础上，对微沟槽表面进行减阻数值模拟，研究了三维不可压缩湍流流动条件下不同尺寸和形状的微沟槽对减阻特性的影响，研究表明在微沟槽尺寸足够小时微沟槽表面才会表现出湍流减阻的特性。当沟槽直径是0.02 mm时，减阻率最高可达10%。为了进一步研究外界干扰对微沟槽面减阻特性的影响，通过加涡流发生器产生扰流的方法可以更直观的表现涡结构对减阻效果的影响，研究表明在产生扰流的情况下，微沟槽面的减阻效果更加明显。
关键词 绕丝，滚压，微沟槽结构，减阻，涡结构
Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
1. 引言 大自然的物种多样性指引着人类向更高的高度发展和创新，纵观人类的发展历程，飞机的发明与创造、潜艇的出现和雷达等高科技的诞生无不与大自然的启发息息相关。为了利用生物特殊的结构和功能发展制造新材料和新技术，美国的斯蒂尔在1960年提出了仿生学的概念[1] [2]。在节能减阻方面，仿生鲨鱼皮结构已经被越来越多的人认可，而学者们对仿生鲨鱼皮的研究也没有停止过。各种各样的仿生鲨鱼皮结构和复制方法也层出不穷。并且该项研究已经被国内外各领域投入到了实际应用中，例如悉尼奥运会上鲨鱼皮泳衣的出现就使大家眼前一亮。 目前较多的仿生鲨鱼皮结构有盾鳞结构、凹坑非光滑结构和沟槽结构[3] [4] [5] [6]，沟槽结构又有各种形状，如三角形，矩形，半圆形，梯形等[6] [7] [8]。比较常见的仿生鲨鱼皮复制方法有如下几种：滚压法、模具复制法、浇注翻模法、复型翻模法、表面微细加工、微纳米压印和微塑铸法等[3] [8] [9] [10] [11]。大连理工大学的赵丹阳教授提出了真空浇铸法和热压电铸法实现了仿生鲨鱼皮盾鳞结构的复制[12] [13]。哈佛大学的研究员通过3D打印技术制造出鲨鱼皮盾鳞结构并贴附在机翼表面进行了空气动力性能测试，结果发现仿生鲨鱼皮结构不仅可以减小阻力，还能有效的提升机翼升力[14]。 随着实验条件和计算机技术的不断发展，仿生鲨鱼皮的减阻效果也越来越多的通过实验和数值模拟得到了验证。在减阻实验中，比较常用的方法是将仿生鲨鱼皮蒙皮贴附在模型表面，通过压差法或测力天平法直接通过压差的变化或阻力的变化来验证仿生鲨鱼皮表面的减阻特性[15] [16]。热线风速法和氢气泡流动显示法在探究仿生鲨鱼皮减阻机理上也比较常用[17] [18]。在数值模拟中，二维横向沟槽结构被验证减阻率可达到9% [19]，U形，三角形，梯形，矩形等三维纵向沟槽结构、肋条状结构和凹坑状结构表面也被证明了可实现减阻效果。Boomsma等[20]通过数值模拟比较了皮齿状结构表面和沟槽表面的减阻效果，结果表明皮齿状结构可以增加44%~50%的阻力，而沟槽表面可以实现5%的减阻效果。 本文通过绕丝工艺，将不同直径的钢丝缠绕在滚筒表面来代替传统模具，利用滚压成型技术在聚合物薄膜上压印出微沟槽结构，不同的滚压工艺会对成型结果造成不同的影响，可以压印出不同结构的微杨雪峰，赵丹阳 DOI: 10.12677/mos.2018.72009 65 建模与仿真
沟槽结果，在此基础上对不同成型结构的微沟槽进行湍流减阻数值模拟，验证滚压成型的微沟槽结构在湍流流动下的减阻效果。 2. 微沟槽结构的确定
2.1. 滚压成型 滚压成型技术是目前实现微沟槽结构大面积复制的最有效的方法之一。将不同直径的钢丝缠绕在压印轮上，如图1所示，不仅可以实现微沟槽结构的连续压印，还减少了微沟槽结构模具的开发时间以及模具贴附在滚筒表面发生变形造成的形状误差。当对聚合物薄膜进行滚压成型实验时，不同直径的钢丝可以压印出不同尺寸的沟槽结构，同时滚筒温度、滚压速度和压缩比等滚压成型工艺会对聚合物成型产生影响，使微沟槽结构的形状发生变化，因此微沟槽结构是直径不同的圆弧状结构。
2.2. 流体域网格的划分
随着计算机技术的飞速发展，数值模拟不仅可以弥补理论难以求解的难处，还可以弥补苛刻的实验条件的要求。为了得到满意的数值模拟结果，又不至于计算量过大，将流体域模型简化为矩形管流动湍流减阻模型，流体域底部分别采用光滑平面和微沟槽面结构，微沟槽面结构采用顺流向微沟槽结构，通过与光滑平面结构的对比来分析讨论微沟槽面的减阻效果。在实际滚压成型结果的基础上，根据微沟槽直径和形状的不同，以沟槽直径为0.5 mm、0.2 mm、0.1 mm、0.05 mm和0.02 mm和深宽比为0.5、0.41、0.33、0.25和0.17为基础建立三维流体域模型，如图2所示。
流体域的长宽高设置为25 × 15 × 1 mm，底面分别用光滑平面和微沟槽面表示。流体域采用非结构四面体网格，网格太密会使计算机运算速度减慢，网格太稀疏又会导致运算结果不准确，因此只对流体域底部的光滑平面和沟槽面结构进行面网格加密处理即可，如图3所示。
2.3. 边界条件的设置
利用Fluent软件对仿生鲨鱼皮表面进行减阻模拟。由于鲨鱼皮沟槽表面的流场状态比较复杂，因此为了提高数值模拟的精度，本文采用RNG k-ε湍流模型。RNG k-ε模型不仅考虑了湍流涡旋，而且在ε方程中加了一个条件，提高了模拟的精度和可信度。考虑到鲨鱼皮沟槽表面流体的不可压缩湍流流动，本文采用压力基稳态求解器进行求解，采用水作为流体介质。具体的边界条件设置如下： 1) 流体域的入口设置为速度入口； 2) 流体域的出口设置为自由流出口；
Figure 1. Schematic of roller embossing 图1. 滚压成型示意图