仿生注射器针头减阻试验研究

根据蚊子等昆虫刺吸式口器的结构形态,采用激光雕刻与辊压成型等表面加工技术对普通注射器针头进行了仿生非光滑表面结构形态的加工。运用试验优化技术,找出了针头表面几何非光滑结构单元形态、结构单元深度、间距及直径(宽度)对注射时针头壁与皮肤间摩擦阻力的影响规律,分析了影响因素的主次和最优水平。结果表明,合理的仿生结构单元形态和分布可使仿生注射器针头减阻率达44.5%。该研究成果为仿生无痛注射器研究及其实际应用提供了理论基础。     

仿生非光滑注射器针头注射过程接触有限元模拟

应用接触非线性有限元方法对普通针头及两种分别具有锯齿形和波纹形仿生非光滑表面针头的注射过程进行了数值模拟,求得了软组织在该过程中应力、速度、动能和内能的变化时间历程,直观描述了非光滑表面对针头在注射这一动态过程中的影响。通过三种针头的对比和分析表明,仿生非光滑针头具有减阻和减痛效果,并且具有波纹形非光滑表面的针头效果更加明显,与试验研究结果吻合。     

仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究

基于仿生非光滑表面具有减粘降阻特性的基本思想,通过仿生非光滑表面控制旋成体附壁区的边界层结构来减小旋成体的阻力。利用6因素3水平的正交试验,考察了对旋成体阻力影响较大的6个因素。对具有不同尺寸的凸包、凹坑以及棱纹等形态的非光滑旋成体及光滑旋成体进行了低、亚、超音速风洞试验,并将减阻率作为试验指标。对减阻率的分析表明,三种非光滑表面均能起到减小旋成体阻力的作用,总阻力最大减阻效果为5%左右。用极差法进行正交试验设计分析,得到了影响旋成体阻力因素的主次顺序及最优水平,并探讨了不同仿生表面对旋成体粘性前部阻力(包括表面摩擦阻力及激波阻力等)及底部阻力的不同影响。     

仿生注射针具痛感试验分析

通过用不同力度夹尾,分别观察夹尾前后的血压变化。结果表明,重度夹尾引起大鼠血压降低程度明显大于轻度夹尾,说明疼痛感越强,引起血压下降越明显。分别用光滑针和波纹形针以同一力度和相同时间刺鼠观察大鼠血压变化。结果显示:光滑针刺引起的血压降低量(-1.99±0.45 kPa),明显大于波纹形针刺引起的血压降低量(-0.96±0.32 kPa),具有极其显著的统计学差异(p<0.0001),且光滑针刺引起血压变化持续的时间(16.60±5.19 s),明显长于波纹形针刺引起血压变化的持续时间(8.47±3.68 s),说明光滑针刺引起的疼痛程度明显高于波纹形针刺引起的疼痛程度。     

仿生挖掘机斗齿减阻试验

为了减小挖掘机斗齿的楔土阻力,提取了蝼蛄前足爪趾的构型,在JL80型斗齿的基础上进行了仿生斗齿设计。采用快速成型加工技术加工了仿生斗齿与JL80型斗齿试样。利用试验机对两种试样进行了楔土试验,测定了楔入阻力与楔入深度的关系。运用有限元分析软件对仿生斗齿和JL80斗齿的楔入过程进行了数值模拟。结果表明,在同样条件下仿生斗齿的楔入阻力较JL80型斗齿低11%。本文设计的仿生斗齿可以为挖掘机斗齿的优化设计提供参考。     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

金属基仿生减阻材料元素与性能量化分析

借助灰色关联度分析方法,建立了触土部件金属基仿生减阻材料构成元素与性能之间的灰色关系分析模型,通过仿生犁壁材料的试验数据计算了仿生犁壁材料构成元素C、Re、Mn等分别与仿生性能指标接触角、硬度、成本等之间的关联度。分析了仿生犁壁材料元素构成比例与各性能指标之间的量化关系,为地面仿生机械减阻材料的研究提供了又一种科学分析方法。     

形态/柔性材料二元仿生耦合增效减阻功能表面的设计与试验

通过研究水生生物在流体介质运动中,皮肤可随着流体载荷的变化而发生动态变化,并与皮下组织特有的非光滑结构形成动态耦合,形成具有特定功能的表面的现象,并依据仿生学相似原理,提出一种形态/柔性材料二元耦合功能表面设计的新思想,称之为仿生耦合功能表面(BCFS),该功能表面由不同属性的双层材料构成,利用面层材料的弹性变形以及面层材料与基底材料表面上仿生非光滑结构的耦合,对流体进行主动控制,实现增效减阻功能。探索了将这种仿生耦合功能表面(BCFS)在典型流体机械-泵上面的实现方法,并以效率为目标,进行了仿生耦合功能表面增效减阻功能的试验,试验结果表明,采用这种耦合功能表面的仿生耦合水泵,效率提高了5%以上。     

仿生功能表面内流减阻测试系统的研制

为测量与研究仿生功能表面在内流管道中的减阻性能,设计了基于压差测试原理的测试系统。针对内流流动的特点,设计的试验段可拆装并能够安装不同厚度的试样做为流场壁面。设计了基于PLC(可编程序控制器)的数据采集处理与控制系统,并对系统精度进行分析,得出了各流速点对应的均方差极限。利用该系统对弹性表面和弹性导热仿生表面减阻进行了测试与研究,结果表明该系统能够对内流流动中的各种仿生功能表面减阻性能进行测试并具有较高的精度。     

旋成体仿生凹环表面减阻试验分析及数值模拟

通过风洞试验及数值模拟分析了置于旋成体后部的凹环表面结构对其底部阻力、摩擦阻力及激波阻力的影响。马赫数为1.79、基于旋成体最大直径的雷诺数为1.5×106的风洞试验表明:凹环表面可显著减小旋成体的底部阻力,但却增大了包含摩擦阻力和激波阻力的粘性前部阻力。利用SSTk-ω湍流模型对试验优选模型进行了数值模拟,结果表明:凹环内部低速旋转气流产生的涡垫效应和推动效应致使旋成体的摩擦阻力减小了22.4%,凹环还能减弱外部气流对旋成体截尾底部死水区的抽吸作用,显著降低了底部阻力。但由于凹环对气流的扰动增加了激波阻力,故包含底部阻力及激波阻力的压差阻力减小并不显著,仅为0.4%。     

仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟

在前期进行的仿生非光滑旋成体模型低速风洞试验的基础上,将非光滑形态在旋成体模型上的排列方式固定为矩形布置,非光滑的尺寸固定为直径或宽度为1 mm,深度或高度为0.5 mm,在风速为44 m/s时,对布置在模型尾部的凸包形、凹坑形和棱纹形三种非光滑模型与表面光滑模型进行了对比模拟试验。试验结果表明,布置在尾部的非光滑结构能够有效地降低模型的压差阻力,尤其是棱纹状非光滑形态模型,压差阻力降低了25.3%,总阻力降低了11.12%。     

轴流风机仿生叶片降噪试验研究及机理分析

根据长耳鸮翼前缘非光滑形态降噪特性,设计了仿生前缘非光滑轴流风机叶片。试验研究表明:仿生非光滑叶片在50~2000 Hz的频段上噪声值明显小于原型风机叶片,最大降噪率为2.52%;影响仿生非光滑叶片降噪效果的主次因素为非光滑单元间距t、非光滑单元高度h和非光滑单元个数。计算机模拟分析表明,仿生前缘非光滑形态降噪机理主要为:减少翼型表面紊流附面层压力脉动并延缓翼型后部涡流分离脱落;有效减少气流流经前后翼型表面时翼型间扰流作用,起到良好的导流作用,使后翼型来流平稳,气流噪声降低。     

气动灭火炮弹体橡胶圈仿生凹坑表面减阻特性

针对气动灭火炮炮弹发射过程中弹体橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力大的问题,将仿生凹坑表面减阻技术应用于弹体橡胶密封圈上。建立气动灭火炮橡胶密封圈仿生凹坑减阻运动模型,采用数值模拟方法,研究弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径及弹体速度对橡胶密封圈与炮管之间摩擦阻力的影响。结果表明:在相同的弹体速度下,当灭火炮弹体橡胶密封圈仿生凹坑特征直径为2mm时,减阻效果最佳,凹坑特征直径为4mm时,减阻效果最差;最大减阻率为17.191%,最小减阻率为3.158%。仿生凹坑中存储的润滑油在弹体运动时,润滑油产生拖拽泼洒而溢流到炮管内壁,对炮管内壁和橡胶密封圈起到润滑作用,达到减小摩擦阻力以及提高炮弹发射速度的目的。     

回转体喷气减阻实验研究

采用避面喷气法在一回转体模型上进行了减阻实验，结果表明，使用喷气法降低水下物体阻力是可行的，并在一定条件下得到了8%的总阻力降，在对影响减阻的因素进行分析后，指出获得更大减阻效果是可能的。