《彈性導熱仿生功能表面構建原理及減阻機制》是依託吉林大學，由田麗梅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：彈性導熱仿生功能表面構建原理及減阻機制
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：田麗梅
- 依託單位：吉林大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
流體機械及船、艦等以流體為工作介質，流體阻力是阻礙裝備工作效率提升、造成能源浪費的重要原因之一；研究表明某些溫血生物，可利用其表皮彈性、體表溫度對液體介質主動控制實現減阻。本研究基於上述生物耦合現象，構建並製備彈性與導熱性能兼備的仿生功能表面；該表面以低模量矽橡膠為基材，以高導熱性能的石墨烯等新材料作為填料複合而成；並以導熱係數及彈性模量為目標函式，對導熱填料的性狀參數、粒徑及填充量進行最佳化；分析填料在導熱仿生功能表面面微觀分布形態、結構特徵與導熱性能及力學性能的關係，進而建立導熱模型；研究其與液體介質系統之間的應力-形變-溫度耦合及轉化機制，獲得功能表面的熱-流-固三場耦合模型；從材料彈性、溫度控制流體邊界層流態及運動黏性的角度出發，揭示彈性導熱仿生功能表面/流體介質系統減阻機制；為仿生減阻技術的發展提供新的理論基礎，為實現流體機械及船、艦艇等的增效、減阻技術提供新思路。
結題摘要
海豚等溫血生物，可利用其表皮彈性、體表溫度控制流體介質實現減阻的目的。受上述海豚皮膚控制流體介質原理啟發，本項目以矽橡膠為基料，以石墨烯為導熱填料，通過機械共混法進行彈性導熱性能兼備的仿生功能表面的設計及製備，並以導熱性能及彈性模量為目標函式，對導熱填料的填充量、填料與基料的配比進行了最佳化，在石墨烯含量為0.36wt%時，其彈性模量及導熱性能使得仿生功能表面的減阻效果最好，據此獲得了彈性和導熱性能兼備的彈性導熱仿生功能表面的設計原理及製備參數。 通過SEM、TEM、DSC、DMA等手段對功能表面微觀結構及熱機械性能進行了分析，獲得彈性導熱仿生功能表面的導熱模型。通過自行研發的仿生功能表面減阻性能測試系統結合合ANSYS APDL模組，對彈性導熱仿生功能表面的生熱及溫度場進行了試驗及計算，通過ANSYS WORKBENCH模組，對具有溫度邊界的彈性導熱表面與流體間進行了耦合計算。 上述研究結果表明：不同石墨烯含量的彈性導熱仿生功能表面和彈性表面的生熱能力相差不大，但是石墨烯的填充量會顯著影響它們的導熱性能，石墨烯/矽膠複合材料表面的石墨烯添加量為0.36wt%可同時兼具良好彈性與導熱性；彈性導熱仿生功能表面是一種黏彈性材料，其在交變應力作用下產生力學滯後並發生損耗生熱；仿生功能表面依靠導熱填料在其內部形成的導熱網鏈實現熱量的傳遞；流速越大，導熱係數越大，減阻效果越好。石墨烯含量為1.34wt%的功能表面在流速1.5m/s達到了最大減阻率8.54%，比在同流速下彈性表面的減阻率高1.17%，試樣的厚度也會對減阻效果產生影響。通過上述研究，獲得了彈性導熱仿生功能表面的減阻機制主要源於彈性變形和良好的導熱性能兩點，彈性變形降低了邊界層的速度梯度，良好的導熱性能將動態變形產生的內熱傳遞到流體，使邊界層溫度升高，降低了流體動力粘度，兩種因素耦合作用實現了減阻功能。 本項目的研究對於以流體為工作介質的流體機械、艦、船減阻及效率的提升，提供了重要的理論及技術的支撐。
