形体减阻类型、减阻机理与仿生

　　引言

　　由于减阻问题密切关系着节约能源与材料、提高速度、消声减振、提高效率等方面,因而,近年来减阻技术与应用研究得到了迅速发展。尽管关于减阻在国内外已得到各方面试验的证实,但至今对减阻实质的认识和理论研究,有一些基本问题还没有得到彻底解决[1～5]。

　　长期以来,研究人员一直在寻找有效减小阻力的方法与技术。主要集中于形体减阻技术与方法的研究。所谓形体减阻就是通过改变物体几何形状来实现减阻的技术与方法。目前有关形体减阻的实质和机理的研究还十分有限。作者就物体在气体、流体和固体系统中的减阻情况进行简要分析、归纳和综合,总结其共性规律,为工程仿生设计提供有益信息。

　　1　形体减阻类型

　　根据物体在气体(如空气等)、流体(如水、油等)及固体(如土壤、煤等)介质系统的不同情形,将形体减阻分为气体减阻、流体减阻、固体滑动减阻3类。

　　1.1　气体减阻

　　在飞机机翼研究方面,气体动力学的研究与应用已有了相当大的进步。最初,人们的注意力主要集中于形体方面,即探索物体的流线型方面,包括由形体改变对保持层流边界层的影响方面。1978年,美国航天局率先开展了非光滑鲨鱼皮的仿生研究,设计出分布有2.54×10-2mm的微小凸状物的微观非光滑表面,并粘贴在飞机机身上,结果机身的表面阻力减小了6%～8%[6,7]。该局开发的这种低阻力仿生非光滑表面已是众所周知的小型机翼模型,为飞行器设计提供了一种阻力较小的表面形状。

　　美国于1990年开始在F 16XL试验飞机上采用主动式与被动式翼套吸气法进行减阻试验[8,9]。吸气法的原理是在机翼表面钻有大量的微孔,利用机翼内的抽气管路将机翼上的气流边界层吸入,从而实现边界层控制保持层流的目的。主动式翼套即微孔装置,由钛合金薄板制成(宽0.3 m,长4.5 m),板面上面钻有约3.6×109个孔,微孔分布平均数为380个/mm2,它在里面与压气机相连。而被动式翼套则纯粹是气动外形来满足机翼上层流的要求。据估计,利用翼面微孔吸气装置,可减阻25%,降低油耗9%,增加载重4%～7%。实际上,微孔吸气法仍属于一种形体非光滑表面。

　　1.2　流体减阻

　　有关流体减阻的理论与应用研究方面也取得了较大的进展,最早的应用是减小消防系统阻力和增大喷射高度、城市下水道的洪水排污、船舶和水下运动的武器等方面[4,10～12]。目前,随着对减阻研究的进一步深化以及一些关键工艺的解决,减阻技术的应用已扩展到石油勘探、开采以及原油管道的长距离运输等方面。