鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展3刘 博1,2,姜 鹏1,李旭朝3,桂泰江3,田 黎2,秦 松1(1 中国科学院海洋研究所,青岛266071;2 青岛科技大学化工学院,青岛266042;3 海洋化工研究院,青岛266071) 3973前期研究专项(2005CCA00800) 刘博:男,1983年生,硕士研究生 E 2mail :liu21cnbo @ 秦松:通讯作者,男,1968年生,研究员,博士 E 2mail :sqin @摘要 鲨鱼体表覆有一层细小的盾鳞(Placoid scale ),盾鳞上的脊状突起称为肋条(Riblet ),肋条之间构成具圆弧底的沟槽。
这种沟槽形态的鲨鱼盾鳞肋条结构(Riblet surfaces )具有良好的减阻作用。
从盾鳞的结构、形态和功能出发,详细介绍了鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理及其仿生材料模型的设计与测试方法,概括了目前肋条结构仿生材料的减阻应用情况,并展望了其未来的发展方向。
关键词 仿生材料 鲨鱼皮 盾鳞 肋条结构 沟槽 减阻Drag 2R eduction Bionic R esearch on Riblet Surfaces of Shark SkinL IU Bo 1,2,J IAN G Peng 1,L I Xuzhao 3,GU I Taijiang 3,TIAN Li 2,Q IN Song 1(1 Institute of Oceanology ,Chinese Academy of Sciences ,Qingdao 266071;2 College of Chemical Engineering ,Qingdao University of Science and Technology ,Qingdao 266042;3 Marine Research Institute of Chemical Industry ,Qingdao 266071)Abstract Fast 2swimming sharks have small placoid scales on their skin ,of which the riblet surfaces (grooved surfaces )can improve swimming performance of these relatively giant fishes.Shark skin 2imitated products have already met needs in several areas.Investigation into the drag 2reduction mechanism of riblet surfaces makes placoid scale a per 2fect object to biomaterial research.In this review placoid scale ′s structure ,shapes and the drag 2reduction f unction of its riblet surfaces are introduced.The development of related hydrokinetic mechanism ,model design ,model test and bionic applications are presented in detail.The f uture development in bionic application of riblet surfaces is also discussed.K ey w ords bionic material ,shark skin ,placoid scale ,riblet surface ,groove ,drag reduction0 前言1936年英国生物学家James Gray 计算发现,当海豚以平均20节泳速游动时,其理论作功能耗是实际摄食能量的7倍,这就是著名的格雷悖论(Gray ′s paradox )[1]。
问题的提出引发了对海洋大型快速游泳动物减阻仿生学的研究。
其后,由于鲨鱼盾鳞肋条结构(也称为沟槽结构)为刚性结构并具规律排列特性,便于模仿,逐渐成为减阻仿生学中的主要研究对象。
人类的技术系统在解决运输工具速度方面过于依靠能量的使用,海洋中的快速鲨鱼(Fast 2swimming shark )却在漫长的进化中获得了优异的减阻能力。
深入研究表明,快速鲨鱼体表覆盖着一层独特的盾鳞,通过优化鲨鱼体表边界层的流体结构,能有效减小水阻,从而降低能量依赖度,获得极高的速度。
Walsh 等的流体动力学试验表明:在高速流体流动状况下,盾鳞肋条结构表面的减阻效果高达8%[2,3]。
近年来,肋条结构的减阻仿生学研究获得了更多关注与发展,在航空[4]、泳衣及管道[5]等应用领域已逐步迈向应用。
本文从鲨鱼盾鳞的组织结构、形态和功能出发,对鲨鱼盾鳞肋条结构减阻相关的流体动力学机理、仿生材料模型的设计和测试,以及减阻应用进行了系统的介绍,并对其未来的研究方向进行了展望。
1 盾鳞的组织结构、形态和功能1.1 盾鳞的组织结构盾鳞是包括鲨鱼在内的一些软骨鱼类所特有的鳞片,也是现生鱼类中最原始的一种鱼鳞(图1(a ))。
盾鳞与牙齿在进化上同源,具相似的组织结构[2,6],其最外层为珐琅质,中间层是象牙质,中央是髓腔(图1(b ))。
盾鳞的这种刚性组织结构有利于对其进行结构仿生研究。
图1 盾鳞的一般形态与组织结构Fig.1 G eneral shape and structure of the placoid scale1.2 盾鳞形态与功能的多样性鲨鱼盾鳞的径向长度通常在1mm 以内,其形态因鲨鱼种・41・材料导报 2008年7月第22卷第7期类和身体部位而异,是分类学的依据之一。
盾鳞是具多种生物功能的统一体,但其形态与主要功能紧密对应。
1978年Reif总结出4种鲨鱼盾鳞形态与其主要功能的对应关系[7]:具有防磨损功能的盾鳞通常厚并呈球状突出[8-10];防御功能型盾鳞为钉状和刺状[8];起感觉器官载体作用的盾鳞,其中作为发光器官载体的盾鳞的形态被细分为短粗形、细长钩形、长刚毛形和凹冠形[10,11];本文关注的具减阻作用的快速鲨鱼的盾鳞,形态多为盘状,前后呈覆瓦状排列。
脊状肋条呈纵向排列在盾鳞冠上,而在肋条之间形成了圆弧底状的沟槽(图1(a))[7,8],这种沟槽状的表面结构被称之为肋条结构。
此外,盾鳞的其它生理功能还包括:抗体表寄生动物附着[12]、协助捕食[13]、协助孵化[8,9,14]以及防止生物污损[15]等。
1.3 快速鲨鱼盾鳞的形态与功能与其它鲨鱼相比,能高速游动的快速鲨鱼的盾鳞肋条结构有两个共同的显著特征:①肋条普遍具有锋利的尖顶和圆弧底的沟槽;②肋条高度一般低于30μm,间距小于100μm[16,17]。
Raschi等的研究表明,在快速鲨鱼体表的不同部位(水流存在细小差别)盾鳞的大小与肋条形态均表现出特异性差异。
在对短尾真鲨(Carcharhinus obscurus)体表15个位点的盾鳞样品进行扫描电镜观察中发现,体形最小的盾鳞集中分布在第一背鳍之前的体表区域,。
对肋条高度和间距进行统计学比较发现,第一背鳍前的盾鳞,其数值较腹鳍周围盾鳞低25%。
此外,对丝鲨(Carcharhinus falcifor2 mis)的统计学比较也支持上述规律[14]。
快速鲨鱼体表不同部位的盾鳞形态反映了对减阻功能的适应性。
鱼鳍前缘的盾鳞表面较为光滑,而鱼鳍侧面盾鳞的中央肋条则呈现“V”型结构。
前者与该处边界层很薄有关,后者则有利于防止流体分离[18]。
总之,同源性起源决定了不同种类鲨鱼的盾鳞在组织结构上具有相同的核心特征;然而在漫长的进化过程中,生存竞争使得盾鳞分化出各种特殊的表面结构。
快速鲨鱼盾鳞独特的肋条结构及其形态和功能在体表不同部位间的差异性(适应性),对于开展盾鳞肋条结构的仿生材料设计具有重要的指导意义。
2 盾鳞肋条结构的减阻机理研究流体低速流动时,与流体接触的表面越光滑,所受阻力越小。
然而在高速流体流动状况下,光滑平板表面上浊流边界层中的压力和速度存在着严重的不均匀分布,导致流体阻力增加和动量交换损失;相反,仿鲨鱼皮盾鳞肋条结构的沟槽表面能改善流经它的浊流边界层的流体结构和流动状态,因而较光滑,表面具有更好的减阻效果[19,20]。
到目前为止,相关的流体力学研究对肋条结构的减阻机理已经提出了多角度的解释。
2.1 减小剪切压力Choi等在肋条结构减阻实验中发现,当流体沿肋条延伸方向流动时,由于肋条结构中肋条的间距小于浊流流体中径向涡旋的横向宽度,使得大多数径向涡旋不能进入沟槽的内部而处于肋条结构的上方,只与肋条尖顶发生小面积接触,因而显著减小了对沟槽内壁的剪切压力[21]。
Lee等进行的流体结构可视化研究得出,处于沟槽中间的流体比外部的流体平静。
在贴近肋条结构的浊流亚层中,流体的波动速度和浊流动能的数值也相对小[22]。
因此,肋条结构表面通过减少与流体的有效摩擦面积和摩擦强度,。
2.2 阻滞横向涡旋径向涡旋在下冲运动时会与肋条尖顶发生接触,使得涡旋的横向扩张受到肋条结构的阻滞,进而使其径向的伸长扩张同样受到限制,从而减少了浊流边界层中流体的动量损失,降低了表面摩擦阻力[23]。
Bechert和Bartenwerfer发现肋条的尖顶在这一过程中起主要作用[24]。
进一步的实验验证了肋条结构能够抑制流体横向流动的作用[25,26]。
Bechert等认为,在测试平板上方一定距离,一个三维的浊流涡旋分别施加在流体流动方向(径向),与横向的剪切压力在强度上有很大差异。
由于径向流的起始点接近沟槽底部,而横向流的起始点接近肋条的顶端,因而受到的剪切压力相应较大,导致浊流涡旋横向流动的强度被削弱[27]。
2.3 诱发次级涡旋(Secondary vortex)Bacher与Smith研究发现,肋条尖顶与流体的相互作用可形成与径向涡旋旋转方向相反的次级涡旋,进一步推测次级涡旋可削弱径向涡旋的强度,阻碍与流体流动方向垂直的横向波纹的形成,从而降低流体横向的动量交换,减少能量损失[28]。
Suzuki等[29]和Lee等[22]的研究证实,在肋条尖顶的附近确有次级涡旋产生,并且肋条结构能阻止浊流流体动能由径向往横向的转换。
Djenidi和Antonia的研究进一步表明,次级涡旋本身引起的阻力对减阻效果的影响相对较小[30]。
2.4 防止流体分离快速鲨鱼的胸鳍上侧面在水中游动时会承受较大的逆压。
