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鲨鱼鳞片带来新的仿生气动设计

作者: 日期:2018/2/9 10:26:19 人气:88

化工信息网 每日热点】为了制造更多的空气动力机器,研究人员正从一个不太可能的来源——海洋——汲取灵感。

哈佛大学的一个进化生物学家和工程师团队与南卡罗莱纳大学的同事合作,揭开了鲨鱼皮几十年来的神秘面纱,并在此过程中展示了一个新的生物启发的结构,它可以改善飞机,风力涡轮机,无人机和汽车的空气动力学性能。

这项研究发表在《皇家学会界面杂志》上。

鲨鱼和飞机其实并没有什么不同。两者都被设计为有效地通过流体(水和空气)移动,利用身体的形状,以产生升力和减少阻力。不同的是,鲨鱼在设计过程中领先了大约4亿年。

“鲨鱼的皮肤上覆盖着成千上万的小鳞片或小齿,这些鳞片和小齿在身体的形状和大小上都有所不同,”George Lauder说,“我们对这些小齿的结构了解很多,这些小齿与人类的牙齿非常相似,但其功能一直存在争议。”

大多数的研究都集中在减少阻力上,但是Lauder和他的团队想知道是否还有更多可以了解的。

“我们问,如果不是主要减少阻力,这些特别的形状实际上更适合于提高升力,”哈佛大学的博士后研究员Mehdi Saadat说。Saadat在南卡罗莱纳大学获得机械工程联合学位。

为了帮助验证这一假设,研究人员与哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一个工程师团队进行了合作。为了寻找灵感,他们转向了世界上最快的鲨鱼——短鳍鲭鲨。灰鲭的小齿有三个突起的脊,就像三叉戟一样。研究小组利用显微CT扫描,在三维空间中对齿状突进行成像和建模。接下来,他们用弯曲的空气动力学截面(被称为翼型)在机翼的表面上打印出了这些形状。

“翼型是所有空中设备的主要组成部分。”哈佛大学博士生August Domel说,“我们想在翼型上测试这些结构,作为测量它们对升力和阻力的影响的一种方法,用于设计各种空中设备,如无人机、飞机和风力涡轮机。”

研究人员测试了20种不同形状的小齿。他们发现,除了减少阻力,齿状结构显著增加了升力,到了高性能、低姿态的涡流发生器的作用。

即使你不知道旋涡发生器是什么,你也看到过它的实际作用。汽车和飞机都配备了这些小的、被动的装置,用来改变运动物体表面的空气流动,使其更具空气动力学特性。今天在这个领域的大多数涡发生器都有一个简单的叶片状的设计。

“与没有涡流发生器的翼型相比,这些鲨鱼启发的涡流发生器的升阻比提高了323%。”Domel说,“有了这些概念设计的证明,我们已经证明,这些仿生涡产生器具有超越传统设计的潜力。”

“你可以想象这些涡流发生器被用于风力涡轮机或无人机来提高叶片的效率。”海洋应用力学教授Katia Bertoldi教授说,“研究结果为改进的仿生气动设计开辟了新的途径。”

“这项研究不仅概述了涡产生器的新形状,而且还提供了对复杂的和可能多功能的鲨鱼齿的作用的深入了解。”Lauder说。

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