基于激光微纳制造的减风阻结构表面制备研究

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伴随着全球能源的大量消耗,节能减摩引起了人们的广泛关注。仿生减阻技术在航空航天领域有着巨大的应用价值,减阻研究一直是当前比较热点的研究内容,减阻机理也一直被国内外学者不断探索。在航空航天领域,减小气流带来的阻力可以更有效地降低能源耗散,提高能源利用率,低碳环保等,具有诸多优点。仿生学与精密加工技术的结合已在减阻领域开辟了重要的研究方向,并且已经有了重大的突破。本文根据仿生学原理,将仿生鲨鱼皮复合微纳减风阻结构应用于曲面头锥减阻。以仿生非光滑理论为基础,从结构尺寸、排布方式、计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)仿真模拟、激光微纳制造实验研究和风洞测试等五方面,进行了减风阻结构表面制备的研究。基于仿生减阻的机理,本文从鲨鱼皮表面的结构特征出发,量化分析了其体表单元尺寸、周期等相关参数以及相互之间的排布规律对减阻效果的影响,通过作图软件UG简化并设计出鲨鱼皮鳞片的结构,构建鲨鱼皮模型,并将模型应用到大气传感器的曲面头锥表面。继而对曲面头锥在流场域中的吹风实验进行了大量的CFD仿真,并对减阻效果进行评估,通过不断对仿生微纳减风阻结构的尺寸以及排布位置进行微调,最终优化了减阻效果。为更好实现降低风阻效果并应用于实际,通过CFD仿真结合激光微纳制造技术,在曲面头锥表面(半球头状,直径为7 cm)制造仿生鲨鱼皮复合微纳结构,即在仿生鲨鱼皮鳞片结构的基础上,通过激光干涉扫描二级微沟槽结构,实现减阻性能的叠加。通过对减阻的理论研究,阐述了微结构对流场域中边界层的影响规律,揭示了仿生复合结构表面的减阻机理。对比分析仿真模拟与风洞实验的结果,并反复优化微结构的尺寸参数,得到了最优的设计加工方案,仿真结果与风洞测试数据一致,最终完成复合结构的微纳制造。风洞测试结果显示,曲面头锥减阻率最高可达10.3%。
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