專(zhuān)利名稱(chēng)：一種仿鯊魚(yú)粘液表釋減阻結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種粘液微孔表釋減阻技術(shù)的制造方法，更特別地說(shuō)，是涉及ー種仿鯊魚(yú)粘液表釋減阻結(jié)構(gòu)的制作方法，它是ー種模仿鯊魚(yú)粘液體表釋放機(jī)理以水下航行器為應(yīng)用對(duì)象的減阻粘液表釋結(jié)構(gòu)的制作エ藝，屬于仿生與生物制造技術(shù)領(lǐng)域。
(ニ)
背景技術(shù)：
節(jié)能減排與綠色環(huán)保是當(dāng)今世界發(fā)展主題，“十二五規(guī)劃”指出，我們應(yīng)該“促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展與人口資源環(huán)境相協(xié)調(diào)，走可持續(xù)發(fā)展之路?！狈律c生物制造技術(shù)是在這一大背景下逐漸發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)領(lǐng)域。表面減阻是實(shí)現(xiàn)航行器節(jié)能的有效途徑之一，而仿生與生物制造是實(shí)現(xiàn)表面減阻的有效手段。航行器為克服表面摩阻而耗費(fèi)的能量是當(dāng)今世界能源消耗的重要組成部分，而自然界很多生物經(jīng)過(guò)上億年的進(jìn)化形成了具有低阻特性的表皮，模仿鯊魚(yú)等低阻生物的表皮特性減小航行器表面摩阻將會(huì)產(chǎn)生巨大的節(jié)能減排效應(yīng)。很多魚(yú)類(lèi)皮膚表面可以分泌粘液，這種粘液除可作為ー種滲透性的屏障來(lái)保護(hù)它們防御菌類(lèi)外，還可以起減小邊界層摩擦的作用。游速較快的鯊魚(yú)除借助帶有微溝槽結(jié)構(gòu)的微鱗片降低表皮摩擦阻力外，還通過(guò)緩慢分泌粘液來(lái)實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)機(jī)動(dòng)和高速巡游。鯊魚(yú)體表粘液分泌和減阻機(jī)制是ー個(gè)粘液可動(dòng)態(tài)補(bǔ)充且能智能投送并在鯊魚(yú)皮表面釋放的復(fù)雜體系，人們經(jīng)過(guò)大量的研究發(fā)現(xiàn)，該體系可抽象為以下模型減阻粘液通過(guò)皮膚表層下方的微流道輸送到需要表面釋放的各個(gè)位置；再通過(guò)均勻分布的表面微孔陣列緩慢釋放到表面，實(shí)現(xiàn)減阻作用。

發(fā)明內(nèi)容
I、目的本發(fā)明的目的是提供ー種仿鯊魚(yú)粘液表釋減阻結(jié)構(gòu)的制作方法，它通過(guò)模仿鯊魚(yú)在體表分泌粘液以提高減阻率的機(jī)理，以提升水下航行器的機(jī)動(dòng)性和巡航速度為應(yīng)用目標(biāo)，提出了通過(guò)壁面表層的陣列微孔向邊界層釋放高聚物粘液的仿鯊魚(yú)粘液表釋結(jié)構(gòu)及其制造方法，以解決先前涂層溶解的形式釋放高聚物存在的減阻時(shí)間過(guò)短、釋放速度不可控等問(wèn)題。2、技術(shù)方案本發(fā)明ー種仿鯊魚(yú)粘液表釋減阻結(jié)構(gòu)的制作方法，包括表釋微孔的排布優(yōu)化設(shè)計(jì)和表釋結(jié)構(gòu)的制作方法。如

圖1，該方法具體步驟如下步驟ー表釋微孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)魚(yú)類(lèi)的粘液腺及表面微孔通常呈隨機(jī)均勻分布，本發(fā)明為了便于粘液表釋結(jié)構(gòu)的制作，將其簡(jiǎn)化為矩形分布進(jìn)行優(yōu)化，得出微孔的橫向間距和縱向間距。從高聚物表釋效果的角度考慮，相同的面積上表釋孔的數(shù)量越多則高聚物分散的越均勻，減阻效果越好；從エ藝優(yōu)化的角度考慮，蒙皮的表釋孔越少則制造エ藝越簡(jiǎn)單，對(duì)表釋孔排布進(jìn)行優(yōu)化的兩個(gè)約束條件是①湍流邊界層內(nèi)滿足高聚物濃度要求的部分達(dá)到一定比例；②緩釋孔的排布密度在エ藝允許的范圍以內(nèi)(見(jiàn)圖2)，具體優(yōu)化方法為
設(shè)目標(biāo)減阻物的表面積為S，可存放高聚物粘液的空間為V，存放高聚物粘液的濃度為Ctl,目標(biāo)減阻持續(xù)時(shí)間為t，Hl0為單位面積單位時(shí)間上可釋放高聚物的質(zhì)量，計(jì)算方法為mQ = VCQ/St，在目標(biāo)減阻物表面選取面積為gXd的區(qū)域A進(jìn)行分析(gd < S，且C(d，0，O)小到可以忽略)，設(shè)該面積上縱向排列孔的數(shù)量為P，橫向排列孔的數(shù)量為q，每個(gè)小孔表釋粘液的速度為Hi1, Hi1 = gdm0/pq ;表釋微孔的X向間距為1，I = g/p ;表釋微孔的Y向間距為 e, e = d/q。區(qū)域A側(cè)部與區(qū)域A面積及表釋孔數(shù)量都相同的區(qū)域定義為區(qū)域B，區(qū)域A與區(qū)域B中間處下ー個(gè)小格的湍流內(nèi)層區(qū)域(圖2中陰影部分)定義為區(qū)域D，區(qū)域D的長(zhǎng)度和寬度如圖2所示，高度為湍流邊界層的內(nèi)層厚度ξ，其計(jì)算方法為
1000V2Uハ、^ =^7=—⑴mVc/u為邊界層平均速度，υ為流體運(yùn)動(dòng)粘度，Cf為摩擦系數(shù)，與雷諾數(shù)Re有關(guān)，當(dāng)Re在IO5 IO9的范圍內(nèi)吋，Cf的近似計(jì)算方法為Cf = O. 072 (Re)-0.2。區(qū)域D濃度分布是區(qū)域A和區(qū)域B中的2pq個(gè)小孔表釋高聚物對(duì)該區(qū)域的疊加結(jié)果，如圖2所示，區(qū)域D中濃度分布的表達(dá)式如式(2)所示。
Γ I 廠， 、'Slj 各1 mI - r (Cv +ノ.め2+Z2 )1 Γ ((ン-ノ.め2+ζ2)ν( ΟΛCD(x,y,z)= 2,^^(exP[~ ；, .A^~-] + exp[-\ ~-])(』)
/=o j=o 2nxEx4(x + il)Ex4(x + il)Exp、q分別為縱向和橫向排列孔的數(shù)量，HI1為每個(gè)小孔表釋粘液的速度，I為表釋微孔的X向間距，e為表釋微孔的Y向間距，Ex為管道內(nèi)橫向湍流擴(kuò)散系數(shù)。如果區(qū)域D的高聚物濃度能夠達(dá)到預(yù)期目標(biāo)C’，由于bd << S，將該部分進(jìn)行拓展，則目標(biāo)減阻物表面的大部分區(qū)域都能滿足高聚物濃度的預(yù)期目標(biāo)。判斷區(qū)域D的高聚物濃度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)C’的方法是，根據(jù)實(shí)際エ況設(shè)定ー個(gè)比例系數(shù)Π，在區(qū)域D取N個(gè)均
勻分布的點(diǎn)(xl，yl，zl)......(x2, y2, ζ2)......(χΝ, yN, ζΝ),設(shè)其中有η個(gè)點(diǎn)的濃度大
于等于C’，當(dāng)η所占比例大于η吋，則認(rèn)為區(qū)域D的高聚物濃度達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。同時(shí)還需滿足縱向、橫向上孔的數(shù)量能夠小于制造エ藝所能接受的縱向上孔數(shù)量的最大值pmax和橫向上孔數(shù)量的最大值qmax，以上約束的數(shù)學(xué)表達(dá)如式(3)所示
_8]す=Num、C L か C’、之 Νη⑶
[P ^ ^max , cI ^ ^max以提高高聚物的均勻分布(即提高n/N)為目標(biāo)，依據(jù)已設(shè)定約束條件進(jìn)行優(yōu)化，最終求解出P、q的合理值。若計(jì)算無(wú)解可適當(dāng)調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)參數(shù)(Q、t、C'、I!等)的取值，使其能夠求解。步驟ニ 表釋微流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)表釋微流道是將粘液從主輸入口傳輸?shù)奖磲屛⒖椎牧魍ㄇ?，從エ藝?jiǎn)化、易于制造的角度考慮，將微流道截面取為矩形，由此建立起表釋微流道的模型，如圖3所示。假設(shè)某高聚物主輸入口向物體表面ー塊面積為aXb的部分輸送減阻液，且主輸入口在該部分的中心位置，則離主輸入口最遠(yuǎn)的表釋微孔與主輸入口之間存在長(zhǎng)度為a/2的主路微流道和長(zhǎng)度為b/2的支路微流道。設(shè)主路微流道的截面長(zhǎng)度為S1，截面高度為H1,距頂部的深度為h ;支路微流道的截面長(zhǎng)度為S2，截面高度為H2，距頂部的深度為h2，表釋微孔的半徑為r，如圖4所示。在以上參數(shù)中，SpS2、!■通過(guò)優(yōu)化得出，其余參數(shù)根據(jù)目標(biāo)減阻物的特點(diǎn)和蒙皮的制造エ藝預(yù)先設(shè)定。在該區(qū)域上，縱向指平行主路微流道方向(下同)有P。個(gè)微孔，橫向指平行支路微流道方向(下同)有％個(gè)微孔( , 由上一歩對(duì)微孔排列的優(yōu)化得出)，在該面積上有2 條支路微流道，有PQqQ個(gè)微孔，則微孔的縱向間距I。= a/ρ。，橫向間距為eQ = b/q。。從主輸入口流入的減阻液流量為Qtl，入口壓強(qiáng)為Ptl，主路微流道的末端壓カ為P1，在主路微流道上的壓降損失ΛΡ。= P0-P1 ;離主輸入口最遠(yuǎn)的那個(gè)表釋小孔的處的入口壓カ為P2，在支路微流道的壓降損失AP1 = P1-P2 ;為保證減阻液能從小孔中均勻滲出，應(yīng)當(dāng)滿足P1A3tl彡入PP2ZP1 ^ λ2，其中λ” λ2為預(yù)先設(shè)定的比例系數(shù)。設(shè)向該區(qū)域輸送減阻液的功率為Wtl，其計(jì)算方法為Wci = PciQc^由于Qci的取值已經(jīng)確定，那么主路入口壓強(qiáng)Ptl越小則輸送減阻液需要的能耗越小，同時(shí)Ptl優(yōu)化的結(jié)果需要滿足Ptl (Pfflax, Pfflax為系統(tǒng)能夠提供的最大壓強(qiáng)。由于微流道內(nèi)的液體存在壓力，會(huì)使頂部蒙皮產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)カ大到一定程度會(huì)導(dǎo)致頂部蒙皮破裂，因此需要對(duì)微流道內(nèi)的最大壓強(qiáng)進(jìn)行約束。根據(jù)圖5Α及5Β所示的力學(xué)模型(沿通道方向取一段長(zhǎng)度為b的小段，可看成受均布載荷作用的梁)，根據(jù)材料力學(xué)知識(shí)可知，在兩端處應(yīng)カ最大，只要蒙皮兩個(gè)端點(diǎn)處的應(yīng)カ小于許用應(yīng)カ[σ]，則可以保證蒙皮不會(huì)破裂，其表達(dá)式為Pl2/(2h2) ^ [ σ ] (4)P為微流道內(nèi)液體壓力，I為表釋微孔的X方向間距，h為微流道的深度?？偨Y(jié)以上分析，表釋微流道優(yōu)化的約束條件如式(5)所示，再以減小Ptl為目標(biāo)，最終優(yōu)化出SpS2、!■的合適值，若優(yōu)化結(jié)果無(wú)解，則可以適當(dāng)調(diào)整預(yù)設(shè)參數(shù)的取值。
權(quán)利要求
1.ー種仿鯊魚(yú)粘液表釋減阻結(jié)構(gòu)的制作方法，其特征在于該方法具體步驟如下 步驟ー表釋微孔的優(yōu)化設(shè)計(jì) 魚(yú)類(lèi)的粘液腺及表面微孔通常呈隨機(jī)均勻分布，為了便于粘液表釋結(jié)構(gòu)的制作，將其簡(jiǎn)化為矩形分布進(jìn)行優(yōu)化，得出微孔的橫向間距和縱向間距；從高聚物表釋效果的角度考慮，相同的面積上表釋孔的數(shù)量越多則高聚物分散的越均勻，減阻效果越好；從エ藝優(yōu)化的角度考慮，蒙皮的表釋孔越少則制造エ藝越簡(jiǎn)單，對(duì)表釋孔排布進(jìn)行優(yōu)化的兩個(gè)約束條件是①湍流邊界層內(nèi)滿足高聚物濃度要求的部分達(dá)到一定比例；②緩釋孔的排布密度在エ藝允許的范圍以內(nèi)；其具體優(yōu)化方法為 設(shè)目標(biāo)減阻物的表面積為S，可存放高聚物粘液的空間為V，存放高聚物粘液的濃度為Co,目標(biāo)減阻持續(xù)時(shí)間為t，Hl0為單位面積單位時(shí)間上可釋放高聚物的質(zhì)量，計(jì)算方法為Hltl=VQ/St，在目標(biāo)減阻物表面選取面積為gXd的區(qū)域A進(jìn)行分析，設(shè)該面積上縱向排列孔的數(shù)量為P，橫向排列孔的數(shù)量為q，姆個(gè)小孔表釋粘液的速度為Hi1, HI1 = gdm0/pq ;表釋微孔的X向間距為1，I = g/p ;表釋微孔的Y向間距為e, e = d/q ； 區(qū)域A側(cè)部與區(qū)域A面積及表釋孔數(shù)量都相同的區(qū)域定義為區(qū)域B，區(qū)域A與區(qū)域B中間處下ー個(gè)小格的湍流內(nèi)層區(qū)域定義為區(qū)域D，區(qū)域D的長(zhǎng)度為e和寬度為1，高度為湍流邊界層的內(nèi)層厚度ξ，其計(jì)算方法為
全文摘要
一種仿鯊魚(yú)粘液表釋減阻結(jié)構(gòu)的制作方法，該方法有五大步驟步驟一表釋微孔的優(yōu)化設(shè)計(jì)；步驟二表釋微通道的優(yōu)化設(shè)計(jì)；步驟三形貌與微孔復(fù)合結(jié)構(gòu)的制備；步驟四微槽道基板的制造工藝；步驟五粘液表釋結(jié)構(gòu)的封裝工藝。本發(fā)明通過(guò)模仿鯊魚(yú)在體表分泌粘液以提高減阻率的機(jī)理，以提升水下航行器的機(jī)動(dòng)性和巡航速度為應(yīng)用目標(biāo)，提出了通過(guò)壁面表層的陣列微孔向邊界層釋放高聚物粘液的仿鯊魚(yú)粘液表釋結(jié)構(gòu)的制造方法，以解決先前涂層溶解的形式釋放高聚物存在的減阻時(shí)間過(guò)短、釋放速度不可控等問(wèn)題。它在仿生與生物制造技術(shù)領(lǐng)域里具有較好的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)B63B1/34GK102673730SQ20121012075
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年4月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月23日
發(fā)明者張德遠(yuǎn), 郭明宇 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)