鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻仿生研究进展

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。

鲨鱼皮盾鳞结构减阻性能数值模拟

海洋中快速游动的鲨鱼因其皮肤表面具有减少摩擦阻力的肋条状盾鳞结构,从而受到研究学者的广泛关注。为了指导减阻表面的设计与制造,选用数值模拟的方法对鲨鱼皮盾鳞结构的减阻机理进行了研究。通过扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)观察,获取鲨鱼盾鳞的微观结构,构建出简化的几何模型单元,并设计了不同分布规则和排布的单元阵列,形成了大面积非光滑仿生结构表面。利用Fluent软件对建立的计算域模型进行流体动力学仿真,同时与传统的矩形沟槽非光滑表面进行比较。数值模拟结果表明:仿生非光滑表面均减少了摩擦阻力,并且相较于矩形沟槽非光滑表面,简化盾鳞结构表面的减阻率明显增加;当入口速度为5 m/s时,对齐排布的简化盾鳞结构表面的减阻率可达到17.86%。最后,从壁面附近区域的流体流速和湍流动能2个方面对非光滑表面的减阻机理进行了分析。研究结果可望对设计和制备具有减阻功能的海洋装备仿生表面起到指导作用。

快速鲨鱼盾鳞的扫描电镜表征研究

快速鲨鱼体表覆盖着一层独特的盾鳞。本研究采用扫描电镜技术,重点研究了平双髻鲨和短鳍灰鲭鲨这两种典型的快速鲨鱼体表不同部位的盾鳞的肋条表面形态,并深入分析了快速鲨鱼盾鳞形态的区域差异性。

快速鲨鱼盾鳞结构的几何表征

鲨鱼体表的盾鳞沟槽结构具有良好的减阻效果,其几何尺寸为减阻结构仿生制造的重要参数。以快速鲨鱼平双髻鲨盾鳞为研究对象,详细介绍了高质量盾鳞样本的制备方法,并采用扫描电镜和激光共聚焦三维扫描显微镜对鲨鱼皮样本盾鳞尺寸进行了观测。结果表明,平双髻鲨盾鳞呈覆瓦式排列,单个盾鳞为3尖5嵴型,肋条高度分别为21.3μm、16.5μm和10.2μm,沟槽宽度分别为51.7μm、34.3μm和16.2μm,基于获得的数据建立的鲨鱼盾鳞三维模型能较好地再现盾鳞形貌,为减阻结构的仿生制造研究奠定了基础。

鲨鱼盾鳞3D打印复制工艺研究

利用3D打印数字制造、堆积制造的技术优势,制作具有显著减阻效果的仿鲨鱼体表皮盾鳞肋条结构。根据已得到的单个盾鳞结构图,结合真实尺寸建模制造,利用Rhino软件数字建模单个盾鳞并阵列化,得到仿鲨鱼表皮三维模型。以尼龙、未来8000树脂为3D打印线材,成功打印复制出具有鲨鱼盾鳞肋条结构的仿生阴、阳模板,为功能性生物表面的高精度、微尺度复制提供了新的思路方法。

鲨鱼鳞片的研究

本文观察分析了 9目 21科 62属 189种鲨鱼的盾鳞,其中采自国内的有80种,参考国外文献和图的有 109种。依照盾鳞的棘部尖突和纵(虫脊)的数目及其基板的形态,可分为16个式型,它们的形态特征同分类及生活习性有一定的关系。

下盾螨属和伪寄螨属的新种记述(蜱螨亚纲:革螨股:厉螨科)

记述厉螨科 2新种 :鳞胸下盾螨 Hypoaspis lepisternalis sp.nov.和吉林伪寄螨 Pseudoparasitusjilinensis sp.nov.

仿鲨鱼皮表面微结构材料制备的研究

以具有极佳减阻能力的鲨鱼皮为模板,采用模板技术对鲨鱼皮表面微观拓扑结构进行大面积的仿生复制。通过扫描电子显微镜对鲨鱼皮以及其复制品的表面形貌进行表征,结果表明,复制的鲨鱼皮具有和模板结构一致的表面微观拓扑结构。该复制方法具有工艺简便、成本低廉、适合大面积复制等优点。

鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述

鲨鱼体表的盾鳞沟槽结构具有显著的减阻效果。鲨鱼仿生沟槽结构的应用涉及航空、舰艇、汽车、管路运输、风力发电等领域。鲨鱼皮沟槽结构的仿生制造主要有两个途径,即沟槽结构形式与鲨鱼盾鳞仿真结构形式。文章针对沟槽结构的微槽滚压、金刚石多轮廓磨削、飞秒激光烧蚀等制造技术,及鲨鱼盾鳞仿真结构的微压印法、固化法、微电铸法、微纳米滚压法、软刻技术等进行了综述,并对鲨鱼皮仿生结构制造技术进行了展望。

边界和混合润滑下仿鲨鱼皮织构的减摩性能

鲨鱼皮体表的盾鳞结构上呈现细小的肋条,形成了一种非光滑表面的沟槽,并具有明显的减阻效果。探究盾鳞结构的表面特征,将其应用到机械表面摩擦中达到减摩效果。根据肋条曲线拟来进行拟合,重新构建仿鲨鱼皮织构表面模型,并在45钢表面制备出织构化的试样;之后采用MM-P2摩擦磨损试验机,考察织构化对光滑表面摩擦性能的影响;研究结果明:200N载荷条件下,凸起型织构的45钢表面,相比未织构表面,仿鲨鱼皮织构面的摩擦系数在边界润滑和混合润滑下分别降低9.52%和11.06%。

不必“谈鲨色变”

鲨鱼为软骨鱼类,全世界有近300种,我国有130种。鲨鱼体呈纺锤形,无鳔,歪尾,游速极快;它全身被覆盾鳞,如同打磨木器的粗砂纸,也称皮齿;它的嘴巴位于头的腹面,又宽又长,故名下孔鱼;其鳃如板状,又称板鳃鱼类。鲨鱼是肉食动物,从最小的浮游动物到最大的鲸类,都是它捕食的对象。人们从鲨鱼的肚子里不仅发现过海豹、海豚、鲸和海龟等海洋脊椎动物,也发现过羊、马、大象等陆生脊椎动物,还发现过雨衣、啤酒瓶子、汽车牌子和人的尸体。

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。

中国瓶口衣科Verrucariaceae地衣一新种和三个新记录种

石果衣属Endocarpon和盾鳞衣属Placidium是瓶口衣科Verrucariaceae的重要组成部分。本研究应用形态学与分子系统学相结合的方法对该两属进行分类学研究,共发现新种1个:盘形盾鳞衣Placidium patellare,中国新记录种3个:卷边石果衣Endocarpon adsurgens,新白色石果衣Endocarpon neopallidulum和罗杰氏石果衣Endocarpon rogersii。本文提供了详细的形态学特征描述与特征图片。

罗平生物群化石类型在云南泸西地区的发现及其意义

罗平生物群是我国著名的三叠纪海相生物群,时代为中三叠世安尼期Pelsonian亚期,主要分布在云南罗平县城周围大洼子、九光村等地.在泸西地区中三叠统关岭组二段发现了海生爬行类、鱼类、节肢动物、棘皮动物、软体动物、腕足动物、植物等罗平生物群化石类型,初步研究显示泸西地区罗平生物群化石构成面貌与罗平基本一致,但新发现的盾鳞化石是罗平生物群层位软骨鱼类的首次报道.在泸西白水塘中三叠统关岭组二段剖面中识别出了Nicoraella germanicus、Nicoraella cf.kockeli和Neogondolella?bifurcata等牙形石类型,构成面貌特征表明其归属于中三叠世安尼期Pelsonian亚期,与罗平地区地层时代相当.泸西地区罗平生物群化石的发现扩大了罗平生物群的分布范围,其中新发现的盾鳞化石为研究华南中三叠世软骨鱼类提供了新材料.