[发明专利]一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法

说明书

本发明提供了一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法，通过设计一种由多个减阻界面周期排列组成的仿生减阻表面结构，并且所述减阻界面包括：底层和设置在底层上的多级结构，所述多级结构包括多级凸起结构，从而实现当固体在流体表面运动时，所述仿生减阻界面使流体的运动状态从层流变成湍流，从而减小固体与流体之间的阻力，且所述仿生减阻表面结构使流体在与其表面接触时形成稳定流动，不仅减小流动阻力，且流体的流动更加稳定，有效减少固体与流体之间的阻力所消耗的能源，减少了由于摩擦所导致的材料磨损，为物体表面结构设计提供了新的理念。

技术领域

本发明涉及仿生减阻表面结构技术领域，尤其涉及的是一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法。

背景技术

统计资料表明，摩擦消耗掉全世界 1/3 的一次性能源，约有 80%的机器零部件都是因为磨损而失效，而且 50%以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效和过度磨损。由此可见，减小摩擦阻力，不仅可以取得显著的经济效益，而且可以有效地节约能源和资源、改善生态环境、消除安全隐患并提高生命质量。

目前经典的摩擦学理论对于解决固体与固体间摩擦的问题较为成熟，而固体与流体间的作用规律还有许多没有完善的理论，且流体层流状态及紊流状态的阻力计算方法有所不同，而减少固体与流体之间的阻力在实际生活中普遍存在，例如：无人机及大型客机的机翼表面，风扇叶片表面，风车的扇叶表面，球类表面，导弹外壳，子弹外表面等等；当流体介质为水时，该设计方法可应用于轮船表面，鱼雷表面结构，泳衣表面结构设计， 潜水艇表面结构等等，因此如何提供一种可以有效减少固体与流体之间阻力的表面结构，有效减少固体与流体之间的阻力所消耗的能源问题，成为研究的焦点。

因此，现有技术有待于进一步的改进。

发明内容

鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法，克服现有技术中还未公开如何有效减少固体与液体之间阻力的仿生减阻表面结构的缺陷。

本发明提供的第一实施例为一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构，其中，由多个减阻界面周期排列组成；所述减阻界面包括：底层和设置在底层上的多级结构；所述多级结构包括：一级凸起结构、二级凸起结构……N级凸起结构，所述N为正整数对应的汉语汉字；

所述底层上设置有多个一级凸起结构；

所述一级凸起结构所围成的区域内设置二级凸起结构；

多个设置在一级凸起结构内的二级凸起结构组成二级结构；

以及，多个设置在N-1级凸起结构内的N级凸起结构组成N级结构。

可选的，所述一级凸起结构、二级凸起结构……N级凸起结构均呈柱状或屋脊状，且所述凸起结构的脊柱高度与底层的厚度成正比例关系。

可选的，所述一级凸起结构脊柱高度满足公式：

；

其中，h为一级凸起结构脊柱高度，k为不小于1的常数，并比较层流阻力系数与湍流阻力系数的关系，若，则k取1~5；若，k取2~10。

可选的，所述底层的厚度与黏性底层尺度相当，具体由流体的特征长度、特征速度和运动黏度决定。

可选的，所述底层平行于流体速度方向的侧边尺寸计算公式为：

；

其中，为与流体运动黏度及固体界面微观结构尺寸有关的常数，为特征长度，为斯特劳哈尔数。

可选的，所述N级凸起结构的脊柱高度低于N-1级凸起结构的脊柱高度。

可选的，所述N级凸起结构平行于流体速度方向的侧边尺寸为所在N-1级凸起结构相邻两个脊柱的间隔距离。