基於仿生表面的邊界層減阻研究假設及最新應用

摘要[1]

大自然為人類提供了取之不盡、用之不竭的資源，同時也逐步發展成為科學家和工程師的學校。經過四十多億年的細緻嚴格進化，自然界中不同的生物逐漸展現出自己獨特而迷人的生物功能表面。例如，鯊魚皮在湍流中具有潛在的減阻作用，荷葉具有自清潔和防挫敗功能，壁虎腳具有可控的超級粘附表面，海豚的柔韌面板可以加快其游泳速度。目前，生物功能表面在日常生活、工業、交通運輸和農業等領域的應用已經取得了巨大的效益，受到了世界各國的廣泛關注。本文從不同的角度對鯊魚皮仿生減阻機理進行了全面的闡述和探索，並簡要介紹了鯊魚皮仿生減阻機理在不同流體工程中的主要應用。這一綜述將不可避免地提高對鯊魚皮表面減阻機理的理解，並更好地理解流體工程中的最新應用。

目錄

1。介紹

2。鯊魚皮形態學

3。鯊魚皮表面減阻效果研究

4。鯊魚皮表面減阻機理研究

4。1微槽減阻機構

4。2攻角對減阻效果的影響

4。3粘液奈米長鏈

4。4超疏水效應

5。仿生鯊魚皮表面的應用

5。1天然氣管道的應用

5。2在飛機上的應用

5。3船舶應用

5。4在飛機發動機上的應用

5。5游泳衣的應用

5。6在高爾夫球中的應用

6。結論

1.介紹

“仿生”一詞的意思是，向大自然學習可以給我們重要的啟示，開發新的方法和途徑來建造高階結構和構建人工先進材料。在漫長的時間和有針對性的自然選擇的巨大作用下，不同生物的表面演化成獨特的、功能優越的層次微結構，與生存環境完美匹配。如圖1所示，荷葉、玫瑰花瓣、蝴蝶翅、銀蒿、水稻葉、蒼蠅眼、水黽腿、蟬翼和豬籠草的表面表現出超疏水和自清潔效果。壁虎足具有層次化的奈米/微結構，可以展示超粘附功能，提出了範德瓦爾斯力起重要作用的觀點，並在手套和爬壁機器人中具有潛在的應用，如圖2所示。穿山甲表面覆蓋著許多鱗片，這使穿山甲具有抗磨和保護作用。鳥類已經發展出各種優秀的結構，如流線型和中空的羽毛軸，以提高它們的飛行效能。海豚擁有柔韌柔軟的面板，可在海洋中實現高減阻效果。Han等人首次研究了沙漠甲蟲的抗侵蝕特性，實驗結果表明，與光滑表面相比，微槽表面能夠有效地表現出最佳的抗侵蝕性。在本節中，圖3說明了自然界中不同的生物功能表面。

圖1 不同的超疏水生物功能表面（荷葉、水黽腿、水稻葉、蒼蠅眼、玫瑰花瓣、壁虎足、蟬翼、沙漠甲蟲）

圖2 壁虎足的可控超級粘附效應（Schematic drawing 示意圖）

圖3 不同的生物功能表面（生物學功能：減阻、耐磨、超強附著、盤旋）

傳統觀點認為，接觸面越光滑，摩擦力越小，這一點已經被接受和認可了數千年。然而，Reif和Dinkelacker發現鯊魚皮表面的層次結構可能會在某些湍流條件下減少摩擦，此外，還發現了不同尺度上的形態看起來不一樣的現象。從那時起，傳統的概念被打破，同時，新的仿生減阻技術也為人類開闢了道路。Walsh推廣了溝槽高度和寬度的最佳化引數，這對減阻效率有重要影響，為微槽減阻技術奠定了基礎。Bechert和Bartenwerfer等人研究了鯊魚皮在不同液體中的減阻機理，製備了不同尺寸和形狀的表面覆蓋微槽，並在水/油通道中進行了相關實驗，結果表明減阻率可達10%左右。Haecheon等人採用直接數值模擬方法對仿生鯊魚皮微槽表面的微流場進行了探索，得到了許多重要結論。Bhushan等人探索了不同層次的奈米/微結構仿生表面，這些表面具有顯著的減阻、自清潔、低粘附效應，並將其應用於不同的領域。Lang等人研究了鬃毛鯊魚皮對邊界層控制的影響，得出的結論是鯊魚鱗片可以柔韌，並可能被動豎立，這有助於保持較高的減阻效果。提出了直接生物複製法制備覆蓋鯊魚皮形態的減阻表面，水洞試驗結果表明，與光滑表面相比，減阻表面的壁面阻力可降低12%以上。Luo和Zhang等人採用微軋製方法加工了具有微/奈米結構形態的仿鯊魚皮紋理減阻塗層，並將該技術應用於天然氣管道，現場試驗驗證了8%以上的減阻效率。Liu等人用一層微槽仿生鯊魚皮表面進行了減阻實驗，並報告在完全發展的湍流中減阻效率超過7%。Koeltzsch等人透過在湍流管流中進行熱線測量，研究了收斂和發散溝槽型式下的速度場，發現了近壁速度場的顯著變化，並測量了減阻效率高達10%左右。Viswanath告訴我們，美國3M公司生產的具有對稱V型槽（高度等於間距）和粘性背襯膜的溝槽已被廣泛檢測。結果表明：使用最佳化的溝槽，在低攻角和溫和的不利壓力梯度下，在二維機翼上測量了5~8%範圍內的表面摩擦阻力減少，並且在低速下存在強有力的證據表明，在不利壓力梯度下，溝槽更有效。採用三維列印方法制作了數千個真實放大鯊魚皮鱗片，測試結果表明，在一定的湍流條件下，運輸能耗降低了5。9%。Li等人採用精密切削方法加工了微溝槽表面，在不同的流動條件下可以實現最佳的減阻效果。其他一些學者也探索了生物功能表面的製造方法和減阻機理。

綜上所述，有大量事實表明鯊魚皮在湍流領域具有明顯的減阻效果，同時對減阻機理也進行了幾十年的研究和探索，這對仿生減阻技術在流體工程中的應用具有重要的指導意義。本文從不同的角度闡述和討論了鯊魚皮的減阻機理，並詳細闡述了鯊魚皮在流體工程中的應用。

2.鯊魚皮形態學

快速遊動的鯊魚在海洋中具有驚人的速度，已逐漸成為當今仿生減阻領域的研究熱點。鯊魚的最大遊動速度可以超過10米/秒，鯊魚皮鱗片在結構和材質上都不同於硬骨魚，它們的大小不會隨著魚的生長而增加，因此可以認為來自同一面板部位的鱗片具有相同的凹槽結構。鯊魚皮都由許多小鱗片組成，鱗片的延伸方向與其遊動方向大致平行，鯊魚皮的SEM（掃描電子顯微鏡）影象和鯊魚皮鱗片的三維形態如圖所示。從圖4和圖5中可以看出，鯊魚皮鱗片的大小基本上位於0。1mm×0。1mm到0。2mm×0。2mm的範圍內，凹槽高度約為20~30 μm，而且鱗片之間總是重疊。

圖4 鯊魚皮掃描電鏡

圖5 鯊魚皮三維尺度上的形態學

鯊魚皮不同部位的鱗片大小和形狀不一樣，甚至在整個面板上也沒有兩個絕對一致的鱗片，如圖6所示。因此，在同一區域內研究不同尺度鯊魚皮的減阻效果應引起足夠的重視。鯊魚皮不同部位的生物鱗片在形狀、大小和表面紋理上都有自己獨特的特徵，但同時，在某些程度上也有相似的圖案或結構。在本節中，不同位置的典型尺度為如表1所示。

圖6 鯊魚不同部位的鱗片

表1 鯊魚不同部位的典型鱗片

3.鯊魚皮表面減阻效果研究

為了獲得鯊魚皮表面的減阻效果，人們探索並利用各種方法制造了人造鯊魚皮。目前，雖然生物鯊魚皮表面還沒有在紊流試驗檯上進行過直接試驗，但透過流體力學實驗和直接數值模擬方法，研究了簡化直微槽表面和人工逼真鯊魚皮的減阻率。採用不同製造方法的減阻效率如表2所示，可以得出結論，簡化微槽表面的減阻效率約為8%，具有真實形態的仿生鯊魚皮表面的減阻效率可超過12%，這意味著生動/真實的鯊魚皮在減阻方面優於簡化的鯊魚皮。

表2 仿生鯊魚皮表面的減阻效率

4.鯊魚皮表面減阻機理研究

鯊魚皮表面相對於絕對光滑的表皮具有明顯的減阻效果，這已逐漸成為不爭的事實，並得到了廣泛的應用，在日常生活、工農業等領域帶來了巨大的優勢和效益。由於湍流中的一些問題沒有得到完全和完美的解決，到目前為止，對真實鯊魚皮的減阻機理還沒有完全和徹底的瞭解。然而，許多研究者進行了大量的相關實驗和分析，得出了非常豐富和重要的結論，可以解釋鯊魚皮減阻效應的某些現象。

4.1微槽減阻機構

鯊魚皮鱗片由琺琅質製成，由鋒利的刺和一個深深嵌入真皮和皮下組織的矩形底板組成，因此刺和底板構成一個牢固的懸臂樑。在以往的研究中，由於形態的複雜性和技術發展水平的限制，減阻機理僅根據簡化的直微槽進行探索，如圖7所示，其中真實鯊魚皮可視為三維形態，簡化後的微槽表面可以看作是二維形貌，不考慮攻角。

圖7 將真實鯊魚皮簡化為直槽

NASA Langley研究中心的Walsh研究了湍流狀態下不同型別微槽表面的減阻效果，得出了槽高度和寬度直接影響減阻效果的重要結論，計算公式的定義和說明如下：

式中h+——無量綱槽高（無單位）；s+——無量綱槽寬（無單位）；h——微槽高度，單位為m；s——微槽寬度，單位為m；v——流動液體的運動粘度，單位為m2/s；U∞——自由流流速（單位：m/s）；Cf——表面摩擦係數（無單位）。

將上述公式應用於流體工程中不同型別的減阻表面的設計，當無量綱溝槽高度h+為16～25時，微溝槽表面的減阻效果最好，一系列結果表明其可靠性。雖然它的應用已經被證實是非常成功的，但是簡化和直微槽的減阻機理直接涉及湍流流動和湍流結構，因此，在完全解決湍流問題之前，不能完全理解它。然而，許多科學家基於生物鯊魚皮尺度（圖8）和簡化的微槽表面提出了不同的減阻模型和假設，其中第二渦理論和突出高度理論被普遍接受。

圖8 生物鯊魚皮鱗片及其橫截面曲線

4.2攻角對減阻效果的影響

為了研究真實鯊魚皮表面的微流場分佈，探索減阻機理，首先需要建立模型，主要步驟如下：（1）高精度掃描單個生物尺度；（2）資料分析與處理；（3）建立大面積單尺度鯊魚皮三維模型；（4）建立計算流體域；（5）建立CFD（計算流體動力學）模型並進行數值模擬。由於模型的所有相關資料均來源於生物鯊魚皮原型，因此模擬結果比普通直槽的模擬結果更準確可靠。

當攻角設定為15°，流場中的平均速度為6m/s時，雷諾數可以超過臨界值，鯊魚皮表面和單個放大的鱗片表面上的剪應力如圖9所示，可以得出尖端的剪應力遠大於鯊魚皮鱗片底部的剪應力，鯊魚皮表面的完整性比光滑表面上的完整性小，因此可以發揮鯊魚皮的減阻效果。

圖9 鯊魚皮表面和單尺度表面上的剪下應力（Pa）

由於上壁和下壁的存在，在遠離壁的區域，速度較大，最大和最小速度分別大於10m/s和小於零。受鱗片攻角的影響，產生與主流流體方向相反的微液滴，鱗片表面存在“迴流”現象，如圖10所示，可以使流動更加穩定，降低湍流強度，因此，如果流動分離的再附著點位於每個單獨的鱗片槽或鋸齒槽內，則壁面阻力再次降低，因為閉合邊界分離氣泡僅影響區域性流動特徵。總之，鱗片的攻角是產生“迴流”現象的重要因素之一，它會隨著鯊魚的游泳狀態或條件而波動。

圖10 迴流原理圖

4.3粘液奈米長鏈

天然鯊魚皮具有優異的減阻效能，因為鯊魚身體周圍的微槽和奈米長鏈粘液減阻介面形成了層次結構，與大多數魚類一樣，鯊魚皮可以隱藏粘液，具有抵禦真菌和減少粘性摩擦的功能，據報道，粘液的減阻效率可達60%以上。

Zhang等人提出了一種新的、簡便的合成生物複製成型方法，用於同時將奈米長鏈連線到鯊魚皮的生物複製微槽上，保持了直接生物複製成型的簡單性。合成生物複製技術結合了軟模成型和接枝技術，具有複製精度高、節省減阻劑等優點。它為製造具有高複製精度和優異減阻效能的合成減阻鯊魚皮表面提供了有效途徑，合成減阻鯊魚皮製造示意圖如圖11所示。為了驗證合成減阻鯊魚皮的合成減阻效果，在中國船舶科學研究中心（中國江蘇省無錫市）的液泡水洞中進行了各種試驗，試驗結果如圖12所示，合成減阻鯊魚皮表面的減阻率隨流速的增加而穩定增加，減阻效果顯著，在試驗過程中達到25%左右，遠大於單生物鯊魚皮微槽減阻皮的最大減阻率（8%）。

圖11 鯊魚皮合成生物複製的過程

圖12 減阻效率測試結果

眾所周知，在紊流中加入少量高分子量的線性柔性聚合物可以顯著降低表面摩擦阻力。由於高分子量聚合物具有更好的減阻效能，工作流體中只有百萬分之幾的聚合物會抑制緩衝區內湍流爆發的形成，進而抑制湍流漩渦的形成和傳播。為了提高減阻效能，更需要將減阻肋（就是鱗片結構）與聚合物新增劑有效結合。

從不同的角度探討了奈米長鏈的減阻機理。粘液奈米鏈可以在粘性子層中自然拉伸，湍流可以更有序、更規則地流動，如圖13所示。一方面，鯊魚皮表面被粘液奈米鏈覆蓋，具有潤滑作用，有助於增加粘性子層的厚度，從而在流固介面上產生滑移現象，導致速度梯度和粘性阻力減小。另一方面，梳理效應可以削弱湍流強度。總之，粘液奈米鏈的存在保證了邊界層的穩定流動條件。

圖13 奈米長鏈示意圖

4.4超疏水效應

鯊魚皮由於其精細而複雜的形態，正在發展成為一種超疏水錶面，其表觀接觸角可以精確測量，可以超過150°。流體運動時可能會在流固介面上產生有效的邊界滑移現象，從而顯著降低速度梯度和粘性阻力，這可能是產生“鯊魚皮效應”的另一個重要因素，鯊魚皮尺度上的接觸模型如圖14所示。由於邊界層中速度梯度的下降，層流層中的流動轉捩被推遲，這使得邊界層中的流動條件隨著容許或容許邊界層厚度的增加而變得更加穩定。此外，鯊魚皮鱗片谷底部位存在少量/無剪應力的氣水介面，由於空氣緩衝氣泡具有承載作用，可以大大降低粘性阻力。隨著流速的升高，谷底部位中的空氣會被壓縮或擠出，導致超疏水效應減弱或消失，減阻效率先上升，達到最大值，然後逐漸下降。

圖14 超疏水模型示意圖

5.仿生鯊魚皮表面的應用

仿生減阻鯊魚皮表面在流體工程的各個方面都有潛在的應用，如天然氣管道、飛機、船舶、游泳衣、賽車、高速列車、高爾夫球等，如圖15所示。在本節中，系統地說明了不同的應用。

圖15 仿生鯊魚皮表面在流體工程中的應用

5.1天然氣管道的應用

在天然氣輸送過程中，幾乎所有壓氣站的動力都被用來克服流動氣體與管壁之間的摩擦消耗，因此每年都要花費大量的資源用於泵站的維護。為了降低壁面阻力，採用了內塗層技術，將粗糙度從80μm以上降至4。5μm。管道內壁的小凸起部分均完全淹沒在粘性子層中，氣流與管壁之間的摩擦力為粘性子層的粘性阻力，天然氣可能流經絕對光滑的管道，因此，即使進一步降低天然氣管道內壁的粗糙度，也不能降低摩擦。如何在內部光滑塗層的基礎上進一步降低壁面阻力已成為亟待解決的問題。

Luo等提出了一種將減阻技術引入天然氣管道的新方法，其中針對我國西氣東輸工程中廣泛使用的AW-01環氧樹脂的特點和效能，確定了成型精度與固化度的關係，並對瞬時微壓印技術進行了探索。預固化微軋製技術（PCMRT）這一步驟被應用到現有的內塗層技術生產線中，其他步驟不需要任何更改，微槽輥的加工工具和形貌如圖16所示，微槽的寬度和高度分別為200μm和30μm。

圖16 微槽軋輥及其表面形貌

管道和表面形態樣本如圖17所示，成形精度可大於90%。為了驗證成形質量和減阻效果，進行了空氣和天然氣減阻實驗，結果表明，減阻效率可以超過8%，非常令人滿意。以光滑塗層管道為基準，仿生減阻管道壓降降低8%以上。採用空氣和天然氣的減阻效果大於8%，說明了將減阻技術應用於天然氣工業的可靠性和可行性。

圖17 管道樣品和放大的三維形貌

5.2在飛機上的應用

3M公司（明尼蘇達州明尼阿波利斯市）生產了一種實驗性的乙烯基粘合劑支撐紋狀片材，已在許多領域得到應用。在不同速度狀態下，對翼型、機翼和翼身或飛機配置上3M肋的效能進行了試驗，如圖18所示，這些應用帶來了壓力梯度和三維度等附加效應。除減阻外，基於低速下的詳細風洞測量，還闡明瞭由於溝槽而改變的流動特徵的各個方面。從風洞和飛行試驗中獲得的可用結果堅定地證明了從低速到中等超音速馬赫數的溝槽的有效性。利用最佳化的肋條，在低攻角和溫和的不利壓力梯度下，在2D翼型上測量得到了5%~8%範圍內的表面摩擦減阻；有強有力的證據表明，在低速時，溝槽在不利的壓力梯度下更有效。在與運輸機相關的中等後掠角機翼上，只要表面流線和肋條方向之間的區域性角度相對較小，肋條仍然有效，提供與2D翼型相當的減阻。關於翼身配置的有限資料表明，總減阻率可能達到2%~3%。對未來的研究也提出了一些建議。

圖18 仿生表面在飛機上的應用

5.3船舶應用

仿生鯊魚皮表面的一個重要應用是航海，而對於船舶而言，生物粘附性和表面潤溼性受到微尺度型式的影響。Carman等人探索了不同仿生紋理上的潤溼現象，特別是鯊魚皮形態，可以得出結論，與水的接觸角可以大於130度，並且可以說明明顯的超疏水效應。此外，他們將不同的仿生紋理放入船舶表面，如圖19所示，實驗結果表明，在以光滑面板為背景的更精細、更復雜的鯊魚皮圖案上，遊動孢子沉降量減少了約85%。同時，在能耗相同的情況下，可以在一定程度上提高轉速。

圖19 仿生圖案在船舶上的應用

5.4在飛機發動機上的應用

鯊魚皮效應是由於溝槽結構表面而減少流體壁摩擦的機制。在噴氣發動機葉片上進行了溝槽表面的新應用，其中探索了耐高溫鎳合金的不同結構方法。葉片上的紋狀結構塗層將起到氧化保護作用，並額外減少表面上的表面阻力，如圖20所示。

圖20 發動機葉片的最佳化設計

實驗結果表明，有效減阻所需的溝槽尺寸取決於流動介質的溫度、壓力和速度。此外，氧化前的稜紋結構與正常光滑表面相比，壁面剪下應力降低了4。9%，實驗結果與經典文獻在一定程度上基本一致，這可以證明所製備的稜紋結構可以用作減阻表面。擴大了仿生表面的應用範圍。

5.5游泳衣的應用

鯊魚皮游泳衣是鯊魚皮在流體工程中的另一個著名應用，如圖21所示。據報道，斯皮茨穿著內褲獲得了7枚金牌，菲爾普斯穿著高科技全身泳衣在雅典和北京獲得了14枚金牌，2010年，高科技泳衣被禁止參賽，因為其效能顯著提高。上述事實表明，仿生鯊魚皮減阻泳衣已成為商業產品。

圖21 鯊魚皮泳衣和微紋理

5.6在高爾夫球中的應用

在低雷諾數下，邊界層保持非常平滑，稱為層流。層流邊界層通常非常理想，因為它們減少了大多數形狀上的阻力。不幸的是，層流邊界層也非常脆弱，當遇到不利的壓力梯度時，很容易與物體表面分離。這種分離流是導致阻力保持在臨界雷諾數以下如此之高的原因。然而，在這個雷諾數下，邊界層從層流變為湍流。邊界層發生這種變化的位置稱為過渡點。湍流邊界層會導致表面附近的空氣混合，通常會導致更高的阻力。然而，湍流的優點是它加快了氣流的速度，並使其具有更大的向前動量。因此，邊界層在脫離表面之前抵抗逆壓力梯度的時間要長得多。

根據上述理論，仿生形態已應用於高爾夫球表面，其目的是使其飛得更遠、更可控，如圖22所示。

圖22 仿生紋理對微流場的影響

6.結論

本綜述系統闡述了鯊魚皮的最新研究成果，主要結論如下：

（1）從不同的角度對鯊魚皮的減阻機理進行了深入的闡述和討論，其中攻角對減阻作用不可忽略，加速度釋放的粘液對減阻效果有重要影響。

（2）鯊魚皮表面與簡化的直微槽表面相比具有許多優點，因此有必要探索實用和潛在的方法，並對鯊魚皮表面的各種製備方法進行了綜合闡述。

（3）仿生鯊魚皮表面已成功應用於天然氣管道、飛機、游泳衣、發動機葉片、游泳衣等各個領域。

［1］ Luo Y ， Yuan L ， Li J ， et al。 Boundary layer drag reduction research hypotheses derived from bio-inspired surface and recent advanced applications［J］。 Micron， 2015， 79：59-73。