[發(fā)明專利]一種仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711485914.1
• 申請日: 2017-12-29
• 公開（公告）號: CN108357665B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 苑偉政;何洋;呂湘連;周子丹;王圣坤;周董濤
• 申請（專利權(quán)）人: 西北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B64C21/10
• 分類號: B64C21/10;B64C3/00
• 代理公司: 西北工業(yè)大學(xué)專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發(fā)明公開了一種仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)，具體涉及一種用于飛行器機(jī)翼的仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)，屬于飛行器技術(shù)領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)包括(a)沙壟分形結(jié)構(gòu)層(b)基底材料層，所述沙壟分形結(jié)構(gòu)層為三層或多層的沙壟結(jié)構(gòu)體；第一層沙壟結(jié)構(gòu)體排布于基底材料層上，第二層沙壟結(jié)構(gòu)體排布于第一層沙壟結(jié)構(gòu)體上，依此類推分層排布，形成所述沙壟結(jié)構(gòu)體。本發(fā)明克服了現(xiàn)有小肋減阻技術(shù)其減阻結(jié)構(gòu)簡單的缺點，提高其氣動減阻性能，所提出的仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)，具有減阻性能較好的特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種用于飛行器機(jī)翼的仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)，屬于飛行器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

為了滿足飛行器的大承載、長航程、低油耗等性能，就對氣動減阻提出了更高的要求。

通過改變大飛機(jī)表面的微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)氣動減阻，是有別于傳統(tǒng)的通過改變飛機(jī)氣動布局減阻的重要方法。由于這種方法存在著巨大的潛力值得挖掘，近年來國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了廣泛的研究。以專利公開號CN106585949A名稱為《一種仿生鯊魚皮減阻結(jié)構(gòu)》和專利公開號CN105644770B名稱為《一種仿鯊魚皮的減阻機(jī)翼的減阻方法》為代表的一系列專利，其源于鯊魚皮仿生研究的小肋氣動減阻技術(shù)被學(xué)術(shù)界認(rèn)為是很有前景的方案。但是前人研究的基于鯊魚皮小肋減阻技術(shù)其減阻結(jié)構(gòu)較為簡單，限制了其氣動減阻性能。因此，小肋減阻技術(shù)的潛力有待挖掘，其氣動減阻性能有待進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的：為了克服現(xiàn)有小肋減阻技術(shù)其減阻結(jié)構(gòu)簡單的缺點，提高其氣動減阻性能。我們認(rèn)為需要尋找新的模仿對象，而具備較好氣動減阻性能的模仿對象，應(yīng)該具備三個方面的特征：與空氣相互作用、雷諾數(shù)大、有肋狀結(jié)構(gòu)。由此我們聯(lián)想到了沙漠，而經(jīng)過大量調(diào)研篩選后，我們選擇了我國獨有的沙丘形態(tài)——羽毛狀沙壟。因此，本發(fā)明提出了一種仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)，具有減阻性能較好的特點。

本發(fā)明提出的仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)，包括(a)沙壟分形結(jié)構(gòu)層(b) 基底材料層，所述沙壟分形結(jié)構(gòu)層為三層或多層的沙壟結(jié)構(gòu)體。第一層沙壟結(jié)構(gòu)體排布于基底材料層上，第二層沙壟結(jié)構(gòu)體排布于第一層沙壟結(jié)構(gòu)體上，依此類推分層排布，形成所述沙壟結(jié)構(gòu)體。

具體的，所述沙壟結(jié)構(gòu)體中的第一層沙壟結(jié)構(gòu)體為特征寬度在20到30微米的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形狀不限制，所有沙壟結(jié)構(gòu)體沿伸展方向互相平行，沙壟結(jié)構(gòu)體之間的間距為特征寬度的10到20倍，沙壟結(jié)構(gòu)體的高度為其特征寬度的0.5 倍到1倍；沙壟結(jié)構(gòu)體的排列方式可以是連續(xù)的(如圖3所示)；有間隙但是間隙排列在一條直線上(如圖4所示)；有間隙但是間隙排列不在一條直線上(如圖5所示)。第二層沙壟結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)、尺寸、位置關(guān)系均為第一層沙壟結(jié)構(gòu)體的等比例縮小，第三層沙壟結(jié)構(gòu)體的結(jié)構(gòu)、尺寸、位置關(guān)系均為第二層沙壟結(jié)構(gòu)體的等比例縮小，依次類推，形成沙壟結(jié)構(gòu)體分形微納結(jié)構(gòu)。

基底材料層上表面可以是光滑平面，可以是粗糙度在Ra3.2—Ra6.3的非光滑平面，可以是彎曲程度在一定范圍之內(nèi)的波形曲面。

本發(fā)明中，上述兩個結(jié)構(gòu)層均可采用金屬、無機(jī)非金屬材料、聚合物材料來制備，金屬材料如鋁、銅、鋼等，以及其合金材料，無機(jī)非金屬材料如玻璃、陶瓷等，聚合物材料如PDMS(聚二甲基硅氧烷)、光刻膠等。

本發(fā)明的有益效果是：當(dāng)來流呈螺旋狀渦流通過翼面時，會有部分大的流向渦與仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)的頂端處發(fā)生碰撞，從而分別被切割成反向分離的小旋渦，這些小旋渦的渦量方向與原流向旋渦的方向相反，從而形成了局部的渦流抵消區(qū)，因此削弱了原有的流向旋渦，達(dá)到減阻效果。如圖1所示。大的旋渦都是由各種尺度的渦疊加而成，仿沙壟氣動減阻分形微納結(jié)構(gòu)中多層的沙壟結(jié)構(gòu)體可以從各自的尺度去破碎旋渦，并繼續(xù)破碎大旋渦破碎后的小旋渦，從而實現(xiàn)分級破碎旋渦，最大程度地減少翼面附近的內(nèi)外動量交換，延遲湍流猝發(fā)，降低摩擦阻力和壓差阻力。如圖2所示。

附圖說明

圖1是仿沙壟分形微納結(jié)構(gòu)渦流抵消減阻機(jī)理示意圖