[發明專利]一種基于渦驅動設計的微納米尺度嵌套溝槽表面減阻結構

在審

• 申請號: 202011334090.X
• 申請日: 2020-11-25
• 公開（公告）號: CN112478132A
• 公開（公告）日: 2021-03-12
• 發明（設計）人: 孫剛;王立悅;王聰;王舒悅;游波
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: B64C3/36
• 分類號: B64C3/36;F01D5/14
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 王潔平

本發明屬于減阻表面結構設計技術領域，具體為一種基于渦驅動設計的微納米尺度嵌套溝槽表面減阻結構。其在單級周期性溝槽結構的每個單元內部表面加入尺寸小于該單元的二級單元群，這種二級單元群即是嵌套層，嵌套層的尺度為微納米尺度。本發明采用微納米尺度嵌套溝槽表面減阻結構提升傳統溝槽表面的減阻性能，該結構可以應用于飛機機翼或發動機葉片的設計之中，降低其摩擦阻力。

技術領域

本發明屬于減阻表面結構設計技術領域，具體的說，涉及一種基于渦驅動設計的微納米尺度嵌套溝槽表面減阻結構。

背景技術

近年來，減阻因其在節能減排方面的重要意義而受到越來越多的關注。在飛機工業中，減阻是提高飛機性能的有效手段。總的來說，總阻力可以分解為兩種類型:壓力阻力和摩擦阻力。大型航空貨機在巡航時，摩擦阻力可以占總阻力的近50%，而小型民用飛機的摩擦阻力比例更大。此外，在確定民用飛機氣動布局時，對壓阻的降低幅度相對有限，這就需要在飛機設計中著眼于摩擦阻力的降低。

被動流動控制方法被廣泛用于改善阻力特性，通常是通過改變邊界層流動來被動操縱近壁湍流，不需要額外的設備或能源消耗。其中基于仿生學的溝槽表面被動流動控制技術被證明是一種有效的減少摩擦阻力的方法，這一想法源于對鯊魚皮膚紋理齒的研究，這些紋理表面結構修改了鯊魚皮膚的近壁流動，以控制摩擦阻力。

然而到目前為止，大部分研究都集中在單級周期溝槽結構的設計上。但這種結構只能進行一維調整，很難通過優化達到預期的減阻效果。當單級溝槽尺寸較大時，槽內容易形成高展弦比的二次渦結構，其壓力阻力增大幅度大于剪應力減小幅度，導致總阻力增大。嵌套槽面結構的設計在常規槽的基礎上增加了嵌套層，實現了幾何維度的擴展。多級微納米材料與單層微納米材料相比增加了材料的超疏水性，相比于單級溝槽結構而言，嵌套溝槽表面結構提高了溝槽表面結構的阻力性能。

本發明提出了一種新穎的材料減阻改進結構，為后續微觀結構減阻節能的研究提供了新的方向。

發明內容

本發明所要解決的技術問題：1）新型微納米減阻結構的設計理論 ；2）新型微納米減阻結構的幾何排布形式，本發明通過微觀模擬分析了溝槽表面結構的阻力于流場中渦結構的分布關系，得出溝槽表面結構的減阻機理。基于機理提出了“渦驅動設計”的理念以設計提高傳統的周期性單級溝槽結構的減阻性能，進一步提出了一種具有更好減阻性能的微納米嵌套溝槽表面結構的設計方案，進一步降低了表面摩擦阻力。

本發明提出一種基于渦驅動設計的微納米尺度嵌套溝槽表面減阻結構，其在單級周期性溝槽結構的每個單元內部表面加入尺寸小于該單元的二級單元群，這種二級單元群即是嵌套層，嵌套層的尺度為微納米尺度。

和現有技術相比，本發明的有益效果在于：

不需要額外的設備或能源消耗，通過添加嵌套層的方式提升傳統溝槽表面的減阻性能，該結構可以應用于飛機機翼或發動機葉片的設計之中，降低其摩擦阻力。

附圖說明

圖1是溝槽表面的減阻機理。

圖2：（a）單級溝槽表面結構，（b）嵌套溝槽表面結構。

圖3：（a）是傳統單級溝槽的流場中的渦量分布，（b）（c）（d）是在單級溝槽（a）上添加不同高度的嵌套層流場中的渦量分布。

圖4：（a）是傳統單級溝槽的流場中的流線，圖4（b）（c）（d）是在單級溝槽（a）上添加不同高度的嵌套層流場中的流線。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明的技術方案進行詳細介紹。

實施例1 渦驅動設計的新型微納米尺度嵌套溝槽表面減阻結構

一、溝槽表面減阻機理研究及“渦驅動設計”理論