一种水下减阻仿生微纳结构

摘要

本发明公开了一种水下减阻仿生微纳结构，包括仿生海豚脊部皮肤的U型结构和仿生蚊子口针的锯齿结构，鱼镖包括前端的锥形体结构和后端的圆柱体结构，锯齿结构分布在锥形体结构表面，U型结构分布在圆柱体结构表面。本发明采用仿生海豚脊部皮肤微结构与蚊子口针微结构，通过两种微结构之间的组合，形成新的微纳组合结构，将其适用在鱼镖上，达到很好的减阻效果。

权利要求

1.一种水下减阻仿生微纳结构，其特征在于，微纳结构设置在鱼镖的表面，鱼镖包括前端的锥形体结构和后端的圆柱体结构，微纳结构包括仿生海豚脊部皮肤的U型结构和仿生蚊子口针的锯齿结构，锯齿结构分布在锥形体结构的尖端处以及由圆柱体结构向锥形体结构过渡的区域，U型结构分布在圆柱体结构的表面，鱼镖尾部的U型结构沿鱼镖纵向分布，占圆柱体结构的五分之一，鱼镖中部的U型结构沿鱼镖横向分布，占圆柱体结构的五分之四。

2.根据权利要求1所述的水下减阻仿生微纳结构，其特征在于，锯齿结构从锥形体结构尖端的二十分之一处开始设置，占锥形体结构的1/35～3/35。

3.根据权利要求2所述的水下减阻仿生微纳结构，其特征在于，锯齿结构的宽度与间距值相等。

4.根据权利要求1所述的水下减阻仿生微纳结构，其特征在于，U型结构沿伸展方向互相平行设置，U型结构的间距与U型结构的宽度相等，U型结构的深度为其宽度的0.7倍。

5.根据权利要求1所述的水下减阻仿生微纳结构，其特征在于，U型结构与伸展方向互相垂直，圆柱体结构向锥形体结构过渡后的第一个U型结构的沟槽的宽度和间距相同；靠近锥形体结构尖端二十分之一处U型结构的第一个沟槽的宽度与间距相同，之后的沟槽底部间距按0.1～0.2mm渐变设置。

6.根据权利要求5所述的水下减阻仿生微纳结构，其特征在于，第一个U型结构的沟槽按照宽度＝间距＝0.1mm，深度0.025mm分布。

7.根据权利要求6所述的水下减阻仿生微纳结构，其特征在于，第一个U型结构之后增加的若干沟槽的深度由0.025mm均匀变化到0.05mm，直至达到宽度＝间距＝0.2mm，深度为

0.05mm。

说明书

一种水下减阻仿生微纳结构

技术领域

[0001] 本发明属于仿生微纳结构技术领域，具体涉及一种水下减阻仿生微纳结构。

背景技术

[0002] 当前，我国已经将发展海洋经济，建设海洋强国作为重要发展战略。船舶，舰艇等航行体在海洋建设经济和海洋国防中发挥着重要作用。水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能，能量消耗率决定着航行体的
续航能力和运行成本。而航行体的运行速度和能量消耗率除了与发动机效率相关外，其最
主要的影响因素就是航行体在水中行驶的阻力。

[0003] 航行体为克服表面摩阻而耗费的能量也是当今世界能源消耗的重要组成部分，在资源日益匮乏的今天，如何有效减阻成为当下研究的热门领域。流体的减阻包含流线型减
阻和表面减阻等。在流线型造型减阻技术的基础上采用表面减阻技术可以减小表面摩擦阻
力，起到节约能源的目的。早在上世纪六十年代，美、苏、德等发达国家就开始了仿生减阻技
术的研究，仿生与生物制造已成为实现表面减阻的有效手段。

[0004] 目前仿生表面结构设计已经取得了很多成果并取得了实际应用，所采用的手段主要是将减阻形貌简化为连续沟槽进行研究，但所设计的减阻表面仍存在减阻效果不理想，
结构单调等问题。而且目前仿生结构的加工方法多是传统机械加工与表面刻蚀等方法，存
在加工精度低、工艺复杂且涂层易脱落等问题。

发明内容

[0005] 本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种水下减阻仿生微纳结构，该结构是仿生海豚脊部皮肤微结构与蚊子口针微结构，能够用于水中航行
体的减阻，具有实用性强、适用面广等特点。

[0006] 本发明采用以下技术方案：

[0007] 一种水下减阻仿生微纳结构，微纳结构设置在鱼镖的表面，鱼镖包括前端的锥形体结构和后端的圆柱体结构，微纳结构包括仿生海豚脊部皮肤的U型结构和仿生蚊子口针
的锯齿结构，锯齿结构分布在锥形体结构表面，U型结构分布在圆柱体结构表面。

[0008] 具体的，锯齿结构分布在锥形体结构的尖端处以及由圆柱体结构向锥形体结构过渡的区域。

[0009] 进一步的，锯齿结构从锥形体结构尖端的二十分之一处开始设置，占锥形体结构的1/35～3/35。

[0010] 更进一步的，锯齿结构的宽度与间距值相等。

[0011] 具体的，鱼镖尾部的U型结构沿鱼镖纵向分布，占圆柱体结构的五分之一。

[0012] 进一步的，U型结构沿伸展方向互相平行设置，U型结构的间距与U型结构的宽度相等，U型结构的深度为其宽度的0.7倍。

[0013] 具体的，鱼镖中部的U型结构沿鱼镖横向分布，占圆柱体结构的五分之四。

[0014] 进一步的，U型结构与伸展方向互相垂直，圆柱体结构向锥形体结构过渡后的第一个U型结构的沟槽的宽度和间距相同；靠近锥形体结构尖端二十分之一处U型结构的第一个
沟槽的宽度与间距相同，之后的沟槽底部间距按0.1～0.2mm渐变设置。

[0015] 进一步的，第一个U型结构的沟槽按照宽度＝间距＝0.1mm，深度0.025mm分布。

[0016] 更进一步的，第一个U型结构之后增加的若干沟槽的深度由0.025mm均匀变化到0.05mm，直至达到宽度＝间距＝0.2mm，深度为0.05mm。

[0017] 与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

[0018] 本发明一种水下减阻仿生微纳结构，U型结构分布在鱼镖的圆柱体结构表面，U型结构表面形成的宏观尺度的涡流，不断把产生湍流的流体运出粘性底层，同时降低表面切
应力，减少了能量损耗，减低壁面摩擦阻力。

[0019] 进一步的，锥形体结构设置锯齿结构是为了在流体刚开始流过锥形体表面时能够形成与前进方向的微振，减少模型运行时的能量损耗。

[0020] 进一步的，锯齿结构占锥形体结构的三十五分之一，能够达到前期锥形体与流体接触时形成微振后，在锯齿结构后面的横向U型结构更加方便的形成小涡，起到滚动摩擦的
作用。

[0021] 进一步的，在鱼镖中部按一定间距安置尺寸适当的横向U型结构小沟槽，能够锁住流动的小涡。小涡本身具有旋转的涡能，被沟槽挡住后，滞留在合适的凹坑内继续转动(或
不动)，就像一支微型的液压轴承。因此该模型沟槽能够有效遏制近壁面附近的速度波动，
从而实现减阻的目的。

[0022] 进一步的，相对于周期间隔排列的沟槽结构，渐变间距排列有更好的减阻特性。

[0023] 进一步的，对于U型结构，按深度/宽度＝0.7分布，减阻效果最好。

[0024] 综上所述，本发明仿生海豚脊部皮肤微结构与蚊子口针微结构，通过两种微结构之间的组合，形成新的微纳组合结构，将其适用在鱼镖上，达到很好的减阻效果。

[0025] 下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

[0026] 图1为航行体模型的仿生减阻表面微结构示意图。

[0027] 图2为航行体模型尾部U型结构示意图。

[0028] 图3为图1中a标注模型中间U型结构示意图。

[0029] 图4为图1中c标注模型尖端及模型过渡段锯齿结构示意图。

[0030] 图5为图1的A-A剖视结构示意图。

[0031] 图6为图5的d的放大示意图。

[0032] 图7为图1的B-B剖视结构示意图。

[0033] 图8为图7的e的放大示意图。

[0034] 图9为图1中b标注具有形变规律的U型结构；

[0035] 图10为计算光滑平面与复合结构在水域流场中的速度分布图，(a)为光滑面，(b)为复合结构。

具体实施方式

[0036] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和
操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的
含义是两个或两个以上。

[0037] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本
发明中的具体含义。

[0038] 请参阅图1，本发明提供了一种水下减阻仿生微纳结构，采用两种生物的微纳结构复合而成，设置在普通鱼镖的表面用于减阻。普通鱼镖的前端部位是锥形体结构，其后是圆
柱体结构。水下减阻仿生微纳结构包括U型结构和锯齿结构，U型结构参考海豚脊部皮肤微
结构，分布在普通鱼镖的圆柱体结构上；锯齿结构仿生蚊子口针结构，分布在普通鱼镖由圆
柱体向锥形体过渡处以及普通鱼镖的尖端处。

[0039] U型结构按照h/s(深度/宽度)＝0.7，在普通鱼镖的尾部纵向分布，尾部占圆柱体结构的五分之一；U型结构在普通鱼镖的中间部位横向分布，中间部位占圆柱体结构的五分
之四。

[0040] 从普通鱼镖的尾部到前端，U型结构之间的间距逐级减小，具有一定的结构变化规律，具体的，在锥形体部分的所有U型结构沟槽按照横向分布，从接近尖端的二十分之一部
位开始的第一个U型沟槽按照宽度＝间距＝0.1mm，深度为0.025mm来进行分布，在之后增加
若干沟槽，其底部间距为由0.1～0.2mm的渐变过程，在此过程中深度也由0.025mm均匀变化
到0.05mm，直至达到宽度＝间距＝0.2mm，深度为0.05mm分布。

[0041] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实
施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明
的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定
实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获
得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0042] 请参阅图2、图5和图6，按照h/s(深度/宽度)＝0.7，U型结构的宽度为0.27mm，所有U型结构沿伸展方向互相平行，U型结构的间距与U型结构的宽度相等，U型结构的高度为
0.189mm(为其宽度的0.7倍)，且U型U型结构的排列方式是连续的。

[0043] 请参阅图3、图7和图8，所有U型结构与伸展方向互相垂直，刚开始时U型结构的沟槽间距为0.38mm，U型结构的沟槽间距与沟槽宽度相等，沟槽深度为0.1mm。且最后一个沟槽
是一个宽度较大的沟槽，由一个斜面过渡到平板平面；在由圆柱体向锥形体过渡之后锥形
的第一个U型结构沟槽按照宽度＝间距＝0.2mm，深度为0.05mm来分布；从接近尖端的二十
分之一部位开始的第一个正弦沟槽按照宽度＝间距＝0.1mm，深度为0.025mm进行分布，在
之后增加若干正弦沟槽，其底部间距由0.1～0.2mm渐变。

[0044] 请参阅图4和图9，普通鱼镖尖端的锯齿结构沿伸展方向互相平行，锯齿结构从普通鱼镖前端的二十分之一处开始设置，占据普通鱼镖前端部分的三十五分之一到三十五分
之三，由于普通鱼镖前端呈现锥型，所有锯齿结构间距排列在横向U型结构上且按一定规律
变化分布，宽度与间距的值相等，在普通鱼镖由圆柱体向锥形体过渡段的锯齿结构高度为
0.189mm，宽度为0.031mm，间距为0.268mm。

[0045] 锯齿结构之间设置有排列在一条直线上的间隙。

[0046] 请参阅图10，图中流体在运动，鱼镖处于静止状态，由图可知，复合微纳结构对水流速度具有明显的影响。通过对比可以看出，复合结构中低速流体域远大于光滑平面的。复
合结构可以使贴近其表面的水流速度大大减小，从而使水流对其的摩擦阻力减小，达到减
阻的作用。

[0047] 以316L不锈钢为例。采用波长为1070nm的光纤激光进行加工，以确保所加工的仿生微沟槽能够达到所要求的结构参数。

[0048] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书
的保护范围之内。