船舶表面微结构设计及其减阻性能分析

针对船舶航行时水下表面存在微结构时，可减小阻力、提升能源使用效率的特点，以鲨鱼皮表面为仿生基础，设计仿鲨鱼、V形、矩形三种微结构表面，通过Fluent软件进行数值模拟，探究不同微结构形状对近壁区表面减阻率、剪切力、速度和湍流动能的影响。数值模拟结果表明：与无结构表面相比较，不同沟槽形状的微结构表面都具备一定的减阻性能。相较于仿鲨鱼、V形微结构表面，矩形微结构表面的减阻效果最好，速度为1 m/s时减阻率最高可达18.4%。微结构的存在可以有效地减小表面所受到的壁面剪切力，减缓近壁边界层的速度梯度变化，改善流体在近壁区域内的流动情况，减少能量涡旋。

船舶运输在全球货物贸易中占据着主导地位， 但是也带来了越来越严重的能源消耗和空气污染问题。

船舶的能源利用效率和航行时所受到的阻力息息相关，因此，船舶的减阻降排意义重大。

近年来，改变船体表面微结构是船舶减阻领域的热门研究方向[1] [2] [3]。较多学者从仿生学角度出发，在鲨鱼、贝壳、珊瑚等生物表面提取不同种类的微结构并展开了研究，发现微结构能够实现一定的减阻效果，且具有可持续、环境友好等诸多优点[4]。其中，鲨鱼表面的盾鳞结构得到了更多关注。秦立果构建简化盾鳞结构， 通过流体仿真发现交错排列的简化盾鳞结构表面的减阻效果更好[5]。

张璇对矩形、三角形、半圆形沟槽表面的流场进行数值模拟，结果表明三种沟槽表面均具有减阻效果，其中矩形沟槽表面减阻效果最佳[6]。汪志远通过数值模拟方法，发现鲨鱼皮微沟槽结构相比V 形沟槽结构减阻效果更好[7]。

本文以鲨鱼皮表面为仿生原型，设计出不同沟槽形状的鲨鱼盾鳞单元结构，依据已有的减阻理论和数据，运用数值模拟的方法研究不同沟槽形状对减阻效果的影响。

2. 建立计算模型 2.1. 微结构设计 Walsh、Lee 等人的研究表明，沟槽尺寸无量纲参数25h+ ≤， 30s+ ≤时，沟槽具有减阻作用，且当10h+ =， 15s+ =时减阻效果最好[8] [9]。

沟槽尺寸无量纲参数计算公式如下： 1100.172RehUhv−+ = (1) 1100.172ResUsv−+ = (2)