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基于薄膜屈曲方法的山脊沟槽表面设计与减阻特性研究

摘要

为了降低物体运动过程中产生的摩擦阻力，各种减阻技术受到越来越多的关注。

鲨鱼皮肤表面带有的微小沟槽结构，被认为是其快速运动的关键所在。受此启发，沟

槽减阻技术逐渐发展起来，在某些领域上已经得到应用。目前，沟槽表面大规模的制

备还很困难，需要在制备工艺上进行创新。同时为了获得更优减阻效果的沟槽表面，

需要对沟槽减阻机理进行更加详细的研究。本文针对这两个问题，对硬薄膜/软基底系

统屈曲失稳而产生条纹沟槽表面这一现象进行详细研究，并采用这种方式制备沟槽表

面。之后对制备出的沟槽表面进行数值模拟和实验研究，分析沟槽结构的减阻机理。

本文首先对硬薄膜/软基底系统屈曲失稳模式进行了数值模拟分析，详细研究了各

失稳定位模式的演化条件和动态演化过程，并对薄膜/基底系统屈曲理论进行了验证。

使用UV紫外臭氧照射方法构建薄膜/基底系统，之后用预拉伸的手段诱导系统失稳，

并采用光学显微镜观测系统表面的失稳模式。在实验过程中根据数值模拟结果和理论

公式指导，研究预拉伸值和薄膜厚度对系统失稳表面沟槽结构尺寸的影响。通过对薄

膜/基底系统进行详细的研究，制备出具有高纵横比的规则且光滑的山脊沟槽表面。

随后，对制备出的山脊沟槽进行离散化建模。使用商业软件计算山脊沟槽的减阻

性能，分析山脊沟槽结构的各无量纲参数对减阻性能的影响。对比山脊沟槽与其他几

种沟槽之间减阻性能的优劣。为了研究沟槽表面背后的减阻机理，对带有山脊沟槽的

湍流槽道进行大涡模拟分析。通过分析槽道上下壁面的速度分布、剪切应力分布、速

度条带分布、涡量分布等各物理量的分布和湍流相干结构演变过程，尝试解释沟槽结

构减阻的原因。通过分析不同无量纲参数下的沟槽结构附近的相干结构，解释沟槽减

阻失效的原因。

最后，采用循环水洞装置和2D-PIV观测系统对沟槽表面以及光滑表面附近的流场

进行观测。利用互相关分析技术，分析沟槽表面的速度分布。通过使用压差变送器测

量水洞测试段两端的压差，计算出沟槽表面的减阻率。通过减阻实验，验证基于硬薄

膜/软基底系统屈曲失稳制备而成的山脊沟槽表面的减阻效果。

关键词：沟槽减阻；基底/薄膜结构；大涡模拟；湍流相干结构

基于薄膜屈曲方法的山脊沟槽表面设计与减阻特性研究

Abstract

Inordertoreducethefrictionalresistancegeneratedduringthemotionofobjects,various

dragreductiontechniqueshavereceivedmoreandmoreattention.Thetinygroovesonthe

surfaceofthesharksskinarethoughttobethekeytoitsrapidmovement.Inspiredbythis,

trenchdragreductiontechnologyhasgraduallydevelopedandhasbeenappliedinsomefields.

Atpresent,itisstilldifficulttopreparethetrenchsurfaceonalargescale,anditisnecessary

toinnovateinthepreparationprocess.Atthesametime,inordertoobtainagroovesurface

withbetterdragreductioneffect,itisnecessarytostudythetrenchdragreductionmechanism

inmoredetail.Inordertosolvethesetwoproblems,thispaperstudiesindetailthephenomenon

ofstripedgroovesurfacecausedbybucklinginstabilityofhardfilm/so