船舶穿上鲨鱼皮，仿生科技解锁航行新速度

船舶穿上鲨鱼皮，仿生科技解锁航行新速度

船舶在航行时，船体表面的摩擦阻力占总流体阻力的绝大部分。如何减小船体表面运行阻力是航运领域亟需解决的问题。本文通过模仿鲨鱼皮表面的盾鳞结构，设计了一种新型减阻膜，并通过数值模拟和实验验证了其减阻效果。

船舶减阻技术主要解决船体表面运行阻力大的问题。已有研究表明，若能将船舶表面遇到的水阻力减小10%，其速度和航程将增加3.57%。因此，如何采用合适的手段减小船体表面运行阻力是航运领域亟需解决的问题。

研究背景

目前，仿生超疏水减阻技术存在较大的开发空间。受到鲨鱼皮表层盾鳞以及盾鳞上微型肋状沟槽结构的启发，发现微沟槽结构可以改变湍流边界层内的水流状态，诱导流体发生平行于流向的滑移来降低剪切应力，从而表现出良好的减阻效果。

仿生膜结构设计

研究团队参考前人对鲨鱼皮特征部位鳞片的预处理方法，制备鲨鱼皮样品。从扫描电子显微镜图像可以看出，鲨鱼皮样品表面具有密集的凹槽结构，凹槽结构沿着流向分布。更具体地，观察单个鳞片可以发现：鳞片表面由凸起的肋脊构成。

图1.鲨鱼皮样品表面的SEM图

鲨鱼皮表面的盾鳞结构复杂，不论是直接进行仿真模拟还是生产，均存在较大的难度。因此，研究团队以复杂盾鳞结构作为建模基础，简化其特征形貌，将复杂结构转化为五个不同长度的肋脊，即作为本文的仿生膜结构模型。

图2.盾鳞结构模型简化过程

基于实际使用需要，仿生膜的设计参数如下：仿生膜由多个盾鳞结构单元组成，每个盾鳞结构单元包括五根脊和4个沟槽，单根脊的长度L由中心向外依次为2.5mm、1.5mm和0.5mm，单根脊的宽度w为0.1mm，单根脊的高度均为0.2mm，相邻两根脊之间的间距(即沟槽宽度)d为0.1mm。

为了进行实际减阻率测算，根据上述参数，采用固化树脂在平面基材上打印出简化后的盾鳞减阻结构，制成仿生膜样品。如图4所示，图4为实际生产出的仿生膜样品图，从图4中可以看出，仿生膜样品选择了交错排布的盾鳞减阻结构，每个盾鳞减阻结构中心脊之间的横向间距和纵向间距均为3mm。盾鳞结构与基材边缘处的距离为1mm。

图4.仿生膜样品图

减阻率理论模拟

研究团队采用CFD数值模拟方法，探究了仿生膜在不同流速下理论减阻率的变化。具体为，流速增加，仿生膜的理论减阻率越大；入口流速控制在3～8m/s时，仿生膜的理论减阻率可以达到22.5～26.1%。

减阻率实际测算

研究团队采用循环水槽模型试验，测试管路为仿生膜表面的管道和光滑表面的管道，并代入计算公式可以得到实际减阻率。根据图19记录的数据，以2.56m/s的流速为例，同一流速下，仿生膜表面的管道所受阻力值约为4.2kgf，光滑表面的管道所受阻力值为5kgf。代入式(3)可以得到减阻率=(5-4.2)/5×100%=16%。

图19.阻力值与流速关系图

结论

研究团队依据鲨鱼皮表面结构，简化形成仿生盾鳞结构，该盾鳞仿生结构的作用机理如下：水流经过盾鳞的结构后产生的漩涡，该漩涡可以理解为“微空气轴承”。这种结构改变了水流与船体表面的摩擦力作用方式，由“滑动摩擦”变为了“滚动摩擦”。经过水流实验表明，流速在2.5m/s时，试验减阻率为16%，随水流速度增加，减阻率也相应提高。

同时，根据实际生产需要，研究团队设计仿生膜的盾鳞结构单元的脊长为0.5～2.5mm，脊宽为0.1mm，脊高为0.2mm，同一盾鳞结构单元的沟槽之间的间距为0.1mm；盾鳞结构单元与基材边缘之间的距离为1mm，相邻盾鳞结构单元之间的展向距离和流向距离均为3mm，盾鳞结构单元以交错排布的方式排列；基于上述设计参数，研究团队制成了仿生膜样品；该仿生膜减阻技术可以应用于油运运输、舰船、水下航行器、流体机械等领域。

本文采用CFD数值模拟方法，探究了仿生膜在不同流速下理论减阻率的变化，具体为，流速增加，仿生膜的理论减阻率越大；入口流速控制在3～8m/s时，仿生膜的理论减阻率可以达到22.5～26.1%。

根据实际试验检测结果可知，该仿生膜在2.56m/s的入口流速下减阻率达到16%；流速提升至5m/s时，减阻率可以达到20%以上。仿生膜的理论减阻率和实际减阻率相适配。

本文原文来自《新德海运新闻》