【摘 要】
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随着科学技术的高速发展,石油、天然气等不可再生能源被人们大量的开采使用,能源问题已经成为现阶段人们急需解决的问题。为了解决能源问题,需要在管道运输、航天航海等领域,减少流体的阻力从而有效的提高能源的利用率,缓解当下的能源危机。在此种环境下,对于仿生非光滑表面减阻的研究逐渐受到关注。仿生非光滑表面减阻是当下仿生学研究中的热点,经过了几十年的发展后取得了不错的研究成果,但目前大多数的研究方向都是面对于
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随着科学技术的高速发展,石油、天然气等不可再生能源被人们大量的开采使用,能源问题已经成为现阶段人们急需解决的问题。为了解决能源问题,需要在管道运输、航天航海等领域,减少流体的阻力从而有效的提高能源的利用率,缓解当下的能源危机。在此种环境下,对于仿生非光滑表面减阻的研究逐渐受到关注。仿生非光滑表面减阻是当下仿生学研究中的热点,经过了几十年的发展后取得了不错的研究成果,但目前大多数的研究方向都是面对于沟槽型非光滑表面,对其他形状的减阻微结构的研究还比较少。因此本文依据仿生学的原理提出一种新型的减阻微结构,将其应用于流体减阻领域并研究其减阻性能与加工方法,补充了现有的仿生减阻微结构种类,对仿生非光滑表面减阻的发展与应用具有重要意义。首先基于工程仿生学研究的基本方法,在现有减阻微结构的基础上受到水力机械与沙漠地表形态和生物表面凹坑的启发,提取生态表面的减阻信息特征,由此建立鱼鳞型凹坑模型。在此基础上使用FLUENT对其进行数值模拟研究,为了进一步的分析鱼鳞型凹坑的减阻机理,主要从速度场、壁面剪应力、湍流统计量三个方面对减阻的原理进行细致的研究。为了获取不同凹坑尺寸与排列方式的鱼鳞型凹坑的减阻效果,本文采用了正交试验法,进行了在不同情况下的仿真模拟试验研究。通过方差分析与极差分析最终得到各因素对鱼鳞型凹坑非光滑表面减阻率的影响程度,并且根据试验结果得到了在预设尺寸范围内最优的鱼鳞型凹坑非光滑表面尺寸参数。最后根据试验加工需求设计并开发了金刚石印压微结构平台,并针对角度调节装置与精密驱动主轴关键部件进行详细分析与设计。根据需要加工尺寸的凹坑建立了刀具尺寸模型,针对印压过程中的偏心现象建立数学模型,计算得到压头倾斜角度的表达式,并在铜片上加工出与理论模型减阻特征相符的鱼鳞型凹坑微结构。最后搭建实验平台验证鱼鳞型凹坑非光滑表面的减阻性能,证明了理论分析与仿真模拟实验的正确性。本文的研究成果为仿生非光滑表面减阻技术的工程化、实用化提供了依据,对未来的非光滑表面减阻应用技术的发展起到了推动作用。
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