《基於電荷效應的魚類減阻機理探索》是依託北京理工大學，由孫娜擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於電荷效應的魚類減阻機理探索
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：孫娜
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
魚在遊動時會帶動近壁面區的水一起向前運動，所受到的摩擦阻力來自於邊界層內相鄰水層水分子間的剪下作用，而氫鍵是水分子間的主要結合力，因此探究魚在遊動過程中以何種方式削弱氫鍵從而減少水分子之間的剪下，將使我們從本質上了解魚類的減阻機理，既而套用於水面及水下航行體仿生減阻技術的開發上。本項目從研究魚類體表產生的生物電入手，分析由生物電所引起的電荷效應對水分子間氫鍵的影響，從而揭示魚類的減阻機理，並將其套用於仿生自拋光減阻塗料的設計，在船舶及水下航行器材料表面形成具有電荷效應的仿生減阻塗層，最終實現降低航行體摩擦阻力的目的。該項研究成果不僅可以在理論上取得創新性的成果，對仿生學及減阻理論的發展起到補充和促進的作用，而且該項技術可廣泛套用於船舶運輸和國防軍工等領域，對於提高航速航程、節約航運過程中的能源消耗具有重要的經濟和軍事價值。
結題摘要
魚在遊動時會帶動近壁面區的水一起向前運動，所受到的摩擦阻力來自於邊界層內相鄰水層水分子間的剪下作用，而氫鍵是水分子間的主要結合力，因此探究魚在遊動過程中以何種方式削弱氫鍵從而減少水分子之間的剪下，將使我們從本質上了解魚類的減阻機理，既而套用於水下航行體仿生減阻技術的開發上。 本項目針對水下航行體在航行過程中因摩擦阻力而導致能耗增加、航速航程受限的問題，運用仿生學的思想，從研究魚類體表電生理特性入手，測量了魚類在不同運動狀態下體表電位的變化，模擬魚類的電生理特性，研製了一種可控電極電位試件，採用雷射拉曼光譜分析試件的電極電位對水中氫鍵的影響，並利用循環式高速平板水洞和PIV系統對不同電極電位條件下試件的減阻性能進行了測試，得到降低氫鍵鍵能與減小摩擦阻力之間的關係，從而揭示出基於電荷效應的魚類減阻機理。通過模仿魚類的這種減阻機理，選擇具有陽離子特性的離子活性劑及水解催化劑，進行仿生自拋光減阻塗料的配方設計；通過實驗室動態模擬實驗，檢測了塗層的水解特性和表面的電極電位；並利用SKLT-1 型高速水洞研究了仿生自拋光減阻塗層的減阻性能。主要成果如下： 1．魚類體表呈電正性，活魚的體表電位>深麻醉後的魚>死魚，同種類型的魚，體型越大的體表電位越高。 2．隨外加電壓的增加，可控電極電位試件的電極電位增大，可控電極電位試件表面去離子水的拉曼譜帶沒有明顯的變化，而人工海水的拉曼譜帶中反映帶氫鍵的O-H伸縮振動峰的峰強顯著降低，表明試件表面的電荷效應能夠使水中的離子在近壁面區短暫聚集，從而削弱水分子間的氫鍵作用。 3．水洞測試中，當可控電極電位試件表面的電極電位一定時，所受到的表面摩擦阻力隨來流速度增加而增大；當來流速度一定，載入電壓為3V時，試件的表面摩擦阻力最小，最大減阻率可達到7.9%。PIV結果表明，隨著載入電壓的增加，近壁面區中的速度滑移增大、速度梯度變小，壁面剪下力下降。 4．仿生自拋光減阻塗料主要由有機矽改性丙烯酸樹脂、聚丙烯醯胺、十六烷基苯磺酸鈉、水解催化劑等組成，顏料為鐵紅和二氧化鈦，所用的溶劑為酯類、醇類和芳香族的混合溶劑。電化學工作站測試表明，水中仿生自拋光減阻塗層表面呈現電正性；隨水解時間的延長，塗層的質量逐漸減小，可實現塗層的自拋光。 5．減阻性能測試表明，隨著來流速度的增加，仿生自拋光試件表面的摩擦阻力隨之增大；而當來流速度一定時，試件減阻率在3％以上。
