本发明属于减阻表面结构设计技术领域，具体的说，涉及一种基于涡驱动设计的微纳米尺度嵌套沟槽表面减阻结构。
背景技术：
近年来，减阻因其在节能减排方面的重要意义而受到越来越多的关注。在飞机工业中，减阻是提高飞机性能的有效手段。总的来说，总阻力可以分解为两种类型:压力阻力和摩擦阻力。大型航空货机在巡航时，摩擦阻力可以占总阻力的近50%，而小型民用飞机的摩擦阻力比例更大。此外，在确定民用飞机气动布局时，对压阻的降低幅度相对有限，这就需要在飞机设计中着眼于摩擦阻力的降低。
被动流动控制方法被广泛用于改善阻力特性，通常是通过改变边界层流动来被动操纵近壁湍流，不需要额外的设备或能源消耗。其中基于仿生学的沟槽表面被动流动控制技术被证明是一种有效的减少摩擦阻力的方法，这一想法源于对鲨鱼皮肤纹理齿的研究，这些纹理表面结构修改了鲨鱼皮肤的近壁流动，以控制摩擦阻力。
然而到目前为止，大部分研究都集中在单级周期沟槽结构的设计上。但这种结构只能进行一维调整，很难通过优化达到预期的减阻效果。当单级沟槽尺寸较大时，槽内容易形成高展弦比的二次涡结构，其压力阻力增大幅度大于剪应力减小幅度，导致总阻力增大。嵌套槽面结构的设计在常规槽的基础上增加了嵌套层，实现了几何维度的扩展。多级微纳米材料与单层微纳米材料相比增加了材料的超疏水性，相比于单级沟槽结构而言，嵌套沟槽表面结构提高了沟槽表面结构的阻力性能。
本发明提出了一种新颖的材料减阻改进结构，为后续微观结构减阻节能的研究提供了新的方向。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题：1）新型微纳米减阻结构的设计理论；2）新型微纳米减阻结构的几何排布形式，本发明通过微观模拟分析了沟槽表面结构的阻力于流场中涡结构的分布关系，得出沟槽表面结构的减阻机理。基于机理提出了“涡驱动设计”的理念以设计提高传统的周期性单级沟槽结构的减阻性能，进一步提出了一种具有更好减阻性能的微纳米嵌套沟槽表面结构的设计方案，进一步降低了表面摩擦阻力。
本发明提出一种基于涡驱动设计的微纳米尺度嵌套沟槽表面减阻结构，其在单级周期性沟槽结构的每个单元内部表面加入尺寸小于该单元的二级单元群，这种二级单元群即是嵌套层，嵌套层的尺度为微纳米尺度。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
不需要额外的设备或能源消耗，通过添加嵌套层的方式提升传统沟槽表面的减阻性能，该结构可以应用于飞机机翼或发动机叶片的设计之中，降低其摩擦阻力。
附图说明
图1是沟槽表面的减阻机理。
图2：（a）单级沟槽表面结构，（b）嵌套沟槽表面结构。
图3：（a）是传统单级沟槽的流场中的涡量分布，（b）（c）（d）是在单级沟槽（a）上添加不同高度的嵌套层流场中的涡量分布。
图4：（a）是传统单级沟槽的流场中的流线，图4（b）（c）（d）是在单级沟槽（a）上添加不同高度的嵌套层流场中的流线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。
实施例1涡驱动设计的新型微纳米尺度嵌套沟槽表面减阻结构
一、沟槽表面减阻机理研究及“涡驱动设计”理论
突出高度理论被广泛应用于研究沟槽表面结构减阻机理。横流的突出高度由bechert首先提出，如图1所示，它是通过保角变换从沟槽顶端到沟槽等值光滑表面的距离。在槽内形成二次涡结构，增加了边界层流动中粘性底层的厚度，降低了靠近壁面的平均速度梯度，使表面摩擦阻力减小。涡度分布和流动特性的变化驱使槽内速度分布和剪切应力的变化，二次涡结构引起的局部反向剪切是降低沟槽表面总阻力的关键因素。
从机理上看，我们实质上是在设计减阻效果最好的含二次涡结构的流场，而沟槽结构是我们建立该流场的工具。因此，我们首次提出“涡驱动设计”的理念，通过二次涡结构对流场的影响来指导沟槽表面结构的设计。“涡驱动设计”的核心是以减阻为设计目标，以优化流场中的涡结构为设计指导进行表面结构设计。“涡驱动设计”中总结到如果涡结构中心与壁面之间的距离不合适，就无法达到预期的减阻效果。如果距离太大，涡的相当一部分能量会在流场中耗散。如果距离过小，则涡结构发展不充分，靠近壁面的反向速度达不到预期值。
二、嵌套沟槽结构的介绍
我们引入嵌套沟槽表面结构来提高传统沟槽表面结构的减阻性能，如图2所示。图2（a）为传统的仅有单级结构的沟槽，图2（b）为在传统的单级周期性沟槽结构的每个单元内部表面加入尺寸小于该单元的二级单元群，这种二级单元群即“嵌套层”，嵌套层的尺度为微纳米尺度。与传统的单级沟槽表面结构相比，嵌套沟槽表面结构通过多个维度的相互作用来提高减阻效果。嵌套沟槽表面结构的优点如下：
1）嵌套沟槽表面结构改变了涡量分布，有利于通过表面结构的设计对二次涡结构进行精
细调整，如图3所示。图3（a）是传统单级沟槽的流场中的涡量分布，图3（b）（c）（d）是在单级沟槽（a）上添加不同高度的嵌套层流场中的涡量分布。可以发现在嵌套槽内出现了涡分离。各小槽内的涡逐渐发展为成熟涡，提高了二次涡的复杂度。可以发现，与常规槽相比，嵌套层槽壁附近的涡量有明显增加。
2）嵌套沟槽表面结构可以改变边界层内的平均反向速度分布，从而调节涡结构与壁面之间的能量传递比，如图4所示。图4（a）是传统单级沟槽的流场中的流线，图4（b）（c）（d）是在单级沟槽（a）上添加不同高度的嵌套层流场中的流线。槽内壁附近的流动速度方向与来流速度方向相反，因此槽内壁上的剪切应力是相反的。
1.一种基于涡驱动设计的微纳米尺度嵌套沟槽表面减阻结构，其特征在于，其在单级周期性沟槽结构的每个单元内部表面加入尺寸小于该单元的二级单元群，这种二级单元群即是嵌套层，嵌套层的尺度为微纳米尺度。
技术总结