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浙江工业大学这个团队将鲨鱼减阻本领用在了渣浆泵上

2018年06月26日 16:53:00 来源:科技金融时报 作者:

《我与科学基金(302)》

(本栏目由浙江省自然科学基金委员会合办)

看到一条鱼,通常人们会想到餐桌上各种方法调制出来的鱼类美食,然而对于仿生应用领域来说,浙江工业大学有这么一支团队,他们想到的是如何将“深海霸主”鲨鱼表皮上的沟槽和鳃裂射流机构运用到流体机械的减阻上,在流体机械上能够完美地呈现减阻技术,从而实现节能降耗。

记者来到浙江工业大学,该校工业泵研究所博士谷云庆带领的研发团队在浙江省自然科学基金的资助下,立足于减阻技术需求,青年基金项目 “仿生非光滑射流表面耦合减阻特性及对边界层控制研究”从2015年起始到2017年12月取得了阶段性成果,并通过了结题验收。

 研发团队通过理论和实验研究的结果对比分析发现,仿生非光滑射流表面减阻效果明显,可以实现主动控制,对节约能源、提高能源利用率具有重要作用,在船舶、航空等诸多领域具有广泛应用前景;本研究以鲨鱼为仿生原型,基于其鳃裂射流原型结构,建立多因素耦合下的仿生非光滑射流表面计算模型,采用计算流体力学方法,对于仿生非光滑射流表面减阻特性进行研究,旨在丰富和发展仿生非光滑射流表面减阻技术,拓宽仿生减阻研究领域,并为完善减阻机理提供理论支撑,将有助于提高国内减阻技术的发展,进一步延伸至流体机械上的应用设计和创新能力。

       据了解,减阻技术具有很高的军事价值和经济价值,一直是研究的热点问题之一,常规船舶表面摩擦阻力约占总阻力的 50%,水下航行器表面摩擦阻力甚至占总阻力的 70%。理论推算表明,在能源和动力恒定时,若航行器阻力减小 10%,则航程和巡航速度增加约3.57%;即便只能获得较小的减阻效果,每年也能够节约大量能源,对于缓解能源危机极为重要。生物通过自然选择,获得适合自身生存的特殊结构及功能,实现对外界环境的调控。仿生学通过模仿生物的特殊本领,并利用生物的结构和功能原理来研究新技术的一门新兴边缘学科。

  而谷云庆博士的这个项目就是将减阻技术与仿生学融合在一起。目前绿色节能环保上升至国家战略高度,环保产业支柱地位彰显,谷云庆告诉记者,这个项目的研究意义就在于如何减少阻力来达到节能降耗的目的。“以前大家会认为物体表面越光滑,那么阻力就越小,而仿生学研究的意义在于不一定要求物体表面是光滑的,而在某个确定范围内,也能达到减阻效果。我们这项研究基于鲨鱼这一海洋生物体,它表皮的微型沟槽结构和呼吸的鳃裂射流功能,来研究减阻技术。”

  谷云庆博士还介绍到,运用类比、模拟及模型方法是这项研究的重要特点,其目的不在于直接复制各个细节,而是要明确生物系统的工作原理,以实现特定功能。如,鲨鱼游动过程中,为了维持体内稳定的水流,需要通过嘴不断的摄入海水,以便有足够的氧气供自身呼吸,当体内海水经鲨鱼吸收完氧分后,最终排出的水流在鳃裂处形成射流,伴随呼吸的进行,射流过程不断持续,并且射流改变了鳃裂附近的流场分布。鲨鱼鳃裂射流的这种特殊功能能够优化鲨鱼体表流体边界层的结构,将鲨鱼鳃裂射流功能引入减阻问题的研究中,是一种新的减阻技术的主动控制方法。

  据悉,目前该项项目已经有产学研合作方向,与石家庄一生产渣浆泵企业初步达成合作意向。原本的渣浆泵的泵体磨损严重,而通过用这项仿生减阻技术在泵体内部设计了沟槽,这样渣浆泵正常运作可以减少磨损,使用寿命可以从原本的七天延长加至十多天,大大提高了工作效率。下一步谷云庆博士将和他的团队进一步将泵体结构再优化,让器械针对不同的煤矿或者浆液,以及针对特定的速度下设计适合的非光滑结构,从而提高企业的经济效益。

  记者 徐璐璐通讯员周丽敏林琼文 记者金乐平摄

[编辑: 李伟民]
(本文来源:科技金融时报)
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