仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述作者：王政李田李明张继业来源：《河北科技大学学报》2017年第04期摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。
分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。
关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力中图分类号：Q692文献标志码：A收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。
通信作者：李田博士。
Email：litian2008@王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334.WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic dragreduction of bionic surface microstructuresWANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000，China）Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complexshapes. The analysis indicates that the types of bionic microstructure surfaces have great effect on drag reduction， the mechanical research and aerodynamic drag reduction are focal points of the bionic microstructure surface drag reduction technology， which can further improve the efficiency of energy conservation and reduce consumption， and has a great prospect in engineering fields such as aircraft， highspeed trains， cars， etc.Keywords：bionics； microstructure surface； drag reduction； turbulent structure；aerodynamic drag《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出“科学合理使用能源，大力提高能源效率，推进重点领域和关键环节节能”。
《中国制造2025》提出“推进轨道交通领域的快速发展，加快研制全新绿色的、智能的高速重载轨道交通设备”。
相关调研表明：运输系统全部能耗的1/6用于克服气动阻力，“如果减少50%的气动阻力，那么运输系统将减少7.85%的能源消耗，同时降低约300亿美元的开支”[1]。
随着人们对气动阻力的不断关注，减阻已经成为节约能耗的重要途径之一。
目前，降低运动物体气动阻力的研究主要围绕宏观尺度进行，例如优化汽车造型和列车车头外形等。
实际上，运动物体的气动性能优化也可以从微观角度考慮，大多数高速运动结构的表面都设计为光滑的，然而自然界一些生物的体表具有非光滑特性。
仿生学中的表面微结构能够为优化运动物体的气动性能（特别是减阻）提供新思路。
河北科技大学学报2017年第4期王政，等：仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述仿生学中的表面微结构特性是动物为适应生存环境经过万年的进化形成的。
例如，作为水中游行最快的动物，旗鱼的最快速度可达190 km/h，它青褐色的身躯上，镶有纵队排列的灰白色斑点，像很多条圆点线（见图1 a））；而空中飞行最快的动物尖尾雨燕，其最快速度高达352.5 km/h（见图1 b））。
表面微结构减阻的成功应用案例为鲨鱼皮泳衣和高尔夫球：鲨鱼皮泳衣仿照鲨鱼的表面微结构；高尔夫球表面布满大小不一的圆形凹坑。
合适的表面微结构能够有效地降低流体绕过物体表面所产生的阻力。
目前已有不少国内外学者开始致力于表面微结构的研究工作，研究初期主要集中在航空航天、汽车等领域。
运动物体的表面微结构气动优化设计及机理研究具有广阔的发展空间，并将对人类的生活产生巨大影响。
1仿生表面微结构类型仿生设计类型主要包括造型、色彩、肌理、功能、结构5个方面[2]。
表面微结构仿生主要从肌理仿生层面出发，旨在改善工业产品的性能，通过对选定生物的表皮微结构特征进行提取、加工、改造，使之尽可能达到既易于加工制造又可最大程度发挥功效的目的。
表面微结构主要有3种类型：沟槽型、凹坑型和凸包型，目前减阻研究主要以沟槽型表面微结构为主。
自然界中生物的表面形态具有显著的差异。
体表凹坑微结构较为明显的生物主要有黄缘真龙虱（见图2 a））与臭蜣螂（见图3 a））。
黄缘真龙虱前胸背板表面的凹坑结构在显微镜下十分明显（见图2 b））。
它的体表具有凹坑、凸包、刚毛、刺等非光滑表面形态[3]，这种非光滑体表在空气中飞行和水中游泳时均具有减阻的效果。
臭蜣螂的体表微结构特征更为鲜明，前胸背面与头背部的凹坑最为突出（见图3 b））[4]。
图2黄缘真龙虱及其表面微结构上述2种昆虫具有比较明显的体表凹坑微结构，可将其归纳简化为球型凹坑和凸包，并通过改变这些球型凹坑和凸包的布置方式、半径、深度等来比较其减阻效果的差异，其中凹坑和凸包简化模型示意图如图4所示，凹坑截面如图5 a）所示。
钱风超[5]对鲤鱼鳞片的表面特征进行了观察，发现其表面存在凹坑形微结构特征，并将其简化为如图5 b）截面所示的凹坑形状。
沟槽表面减阻的研究主要包括二维平板沟槽、三维肋板沟槽2个方面，其中三维肋板沟槽研究根据气流与肋板相互作用的角度不同又分为顺气流方向和垂直气流方向。
20世纪70年代，美国国家航空航天局兰利研究中心率先对沟槽类型进行研究，他们从不同的生物表面提取、简化、总结出多种沟槽类型（见图6）[6]。
之后的研究人员基本都是通过对这些沟槽参数进行改变后得到新的沟槽类型，并在这些研究的基础上进行深入研究。
通过对上述沟槽类型进一步扩展，可以演变得到如图7所示的若干不同的沟槽类型。
2表面微结构减阻研究实例传统观点认为光滑表面结构的气动阻力最小，所以在20世纪60年代以前，减阻研究的主要方向是减小表面粗糙度。
表面微结构最初源于GRAY[7]的发现：海豚在水中的游行速度要比其生理上能达到的游行速度更快。
随后KRAMER[8]认为：海豚具有可自动调控的适应性表面皮肤，用来控制流过其皮肤表面的水流状态，并延后皮肤与水流之间的湍流转捩点，以达到减小表面黏性阻力的效果。
当海豚进入高速游动的状态图5球形与鱼鳞形凹坑截面时，它表面的光滑皮肤转变为具有微结构的非光滑形态。
这项重大发现突破了“表面越光滑的物体表面阻力越小”的传统认知。
鲨鱼表面微结构是水生动物中最具代表性的，如图8所示。
鲨鱼表面由被称为“皮质鳞凸”的重叠鳞片组成，这些鳞片在长度方向有凹槽，可以调整水在其表面的流动。
BECHERT等[9]对鲨鱼表面微结构进行了深入研究，他们观察了不同种类、不同年龄、不同状态的鲨鱼表面微结构特征，发现游速较快的鲨鱼体表顺水流方向存在微小的脊状物，采用人造表面结构替代方法验证得到鲨鱼的这种表面微结构可以减少7%的阻力，这与实验结果一致。
他们把鲨鱼表面的脊状物假设为漩涡发生器，漩涡发生器加强了近壁区的流动分离，从而减小鲨鱼游动时的阻力。
1978年，WALSH等[1011]最早对二维沟槽平板流动的湍流减阻机理进行研究，他们对如图6所示的各种类型沟槽进行试验，研究表明：当沟槽无量纲间距小于30，且无量纲高度小于25时，沟槽平板具有减阻效果；1985年，BACHER等[12]观察并测量沟槽平板的速度分布，同时用边界层动量积分的方法研究得到25%的减阻效果；1992年，BECHERT等[13]通过试验测量得到V型沟槽的最大减阻率为8.2%；2000年，BECHERT等[14]模仿鲨鱼表面微结构生成三维的非光滑表面，可以得到高达9.2%的减阻率。