形体减阻在气体、流体和固体系统中有着良好的应用前景.对3种介质中运动物体的减阻类型与减阻机理进行归纳和分析,将形体减阻分为几何非光滑与柔性非光滑两种形式.从能量角度,通过建立界面能量平衡方程,将3种介质中减阻的实质统一为系统能量的转移量与转移速率.从仿生学角度,对一些人造物与自然生物的减阻效果做了对比分析,对刚性与柔性结构单元组合形式进行了分类归纳并举例,得出一些有益于工程仿生减阻设计的结论.

利用有限体积法对三角形仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算。近壁面区采用B-L两层模型,外区采用雷诺应力模型。分析了沟槽表面的流场特性,对计算域中心Z=3 mm平面的速度场和湍流统计量进行了研究。顶点间距s+≈20,h+≈17.3的沟槽减阻率为5.2%;s+≈40,h+≈34.6的沟槽增阻率为12.3%。从速度场、剪应力及湍流统计三方面对沟槽表面减阻、增阻机理进行了分析讨论。与风洞和油槽实验数据定性对比的结果表明,理论计算与实验结果一致。

基于工程仿生学理论,提出一种高速列车头型的设计方法,选取自然界中速度较快的几种典型动物为仿生对象,对生物体进行工程化仿生建模,从复杂的三维几何中,提取主要的特征线并忽略次要特征,得到基于仿生形态的高速列车头型,并与CRH型动车组进行基本气动性能的比较。研究结果表明,高速列车以350 km/h在明线下运行时,海豚型列车所受的阻力最小,其次是蜂鸟型,二者的运行阻力均小于CRH型,而大白鲨型列车的阻力最大;分析了各仿生设计列车纵向截面积随距鼻尖长度变化的关系,线性趋势程度由高到低排序:海豚型>蜂鸟型>CRH型>大白鲨型,而列车的阻力系数刚好与该顺序相反,说明头型截面积沿长度方向的线性变化程度越高,其气动阻力越小。

为了提高辊压机磨辊的耐磨性能,模仿自然界中生物体表形态,在磨辊表面设计并加工出不同深度、不同周向个数的仿生条纹形结构,并根据正交试验设计方案对磨辊进行磨损试验。结果表明仿生条纹形结构能有效提高磨辊的耐磨性能,条纹深度和条纹周向个数对磨损量均有影响。相较于标准磨辊,仿生磨辊的耐磨性最大可提高72.1%。分析仿生磨辊耐磨机理发现条纹形结构使磨辊与石英砂接触更加充分均匀,同时减少了石英砂在其表面滑磨的机率,从而优化了磨辊整体及各局部的受力情况,是提高磨辊耐磨性的重要原因。