王春举;程利冬;薛韶曦;陈鹏宇;刘宝胜;丁辉;孙健;徐振海;汪鑫伟
【摘 要】表面微沟槽等结构能够限制航空器壁面低速区小涡流生成和猝发的相关雷诺应力,从而降低摩擦阻力,而且该方法简单易行、不需额外增加重量,成为航空器减阻的主要途径之一.概述了表面微结构减阻性能尺度效应的研究进展,表明微结构无量纲尺寸在15左右时减阻性能最佳,减阻率为8％左右;着重综述了简单形状微结构、仿生微结构以及大面积微结构等减阻微结构去除、压印以及滚压等制造技术的研究现状,简析了目前仿生减阻微结构制造技术存在的不足;在此基础上,对仿生减阻微结构制造技术的未来发展和应用进行了展望. 【年(卷),期】2019(011)003
【总页数】11页(P88-98)
超高压压力容器【关键词】航空器减阻;仿生微结构;减阻性能;尺度效应;微结构制造
米拉的白日梦
【作 者】王春举;程利冬;薛韶曦;陈鹏宇;刘宝胜;丁辉;孙健;徐振海;汪鑫伟
【作者单位】苏州大学机电工程学院,苏州215131;哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室,哈尔滨150001;苏州大学机电工程学院,苏州215131;哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室,哈尔滨150001;中国航空制造技术研究院金属成形技术研究室,北京100024;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院复合材料与结构研究所,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学金属精密热加工国家级重点实验室,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学大科学工程专项建设指挥部暨空间基础科学研究中心,哈尔滨150001
【正文语种】中 文
【中图分类】TG306
随着民航飞机、运输机以及无人机等航空器的规模越来越大，对飞行效能等要求越来越高，另一方面，随着能源短缺、环保等问题的日益突出，航空器减阻研究受到国内外学者和工业界人士的广泛关注。对于大多数处于亚音速巡航飞行的航空器，壁面摩擦力超过航
空器总阻力的50%，超过1/6的发动机能耗用于克服该阻力[1—7]。减小亚音速航空器壁面摩擦力，对节约能源、提高航空器的最大航程等具有重要经济效益，壁面减阻研究已经成为大型航空器的基础科学问题之一。目前，航空器表面减阻技术主要有层流边界层控制、湍流边界层减阻等，其中湍流边界层减阻技术实用价值巨大，已经被NASA列为21世纪的航空关键技术之一。20世纪70年代，美国国家航空航天局（NASA）兰利研究中心发现，表面微沟槽结构可以改变航空器近壁区湍流结构，从而有效降低流体摩擦阻力，颠覆了传统光滑表面减阻思维[8—9]。Lee，Jang[10]和Sidhu[11]等通过实验和理论分析研究了贴有V形微沟槽薄膜的机翼减阻性能，实验发现减阻率为6.6%、计算发现降低了3.5个阻力点。Philip Ball发表在Nature的文章表明，与流向平行的微沟槽能够减小航空器8%的阻力，意味着可以节约1.5%的燃油（图1）[12]。美国国家航空航天局、欧洲空中客车公司、中国香港国泰航空公司、西北工业大学等分别在Learjet[13]、A320[14—15]、A340[16—17]、F-104G[18]以及1︰12运七原型机[19]等不同机型上贴微沟槽薄膜、仿鲨鱼皮薄膜等减阻蒙皮，显著降低了飞行阻力、节约了燃油、提高了航空器效能。除航空器外，Chamorro等在2.5 MW大型风机叶片减阻[20]、Ng等在超音速发动机叶栅部位减阻[21]、Koeltzsch等在管道运输减阻[22—24]、孙志宏在纺织用高速转子减阻等方面[25]，发现表面微结构具有优异的减阻性能，必将产生可观的经济效益和社会效益。
微结构尤其是仿生微结构在节约能源、减阻等方面具有很高的应用价值（见图2）[26—27]，但是仿生微结构的微小尺寸和复杂形状也给制造技术带来了很大的挑战。文中从表面微结构减阻性能尺度效应、简单形状微结构制造、仿生微结构制造以及大面积微结构制造等几个方面进行了综述与简析，并对仿生微结构制造技术的未来发展和应用提出了展望。
中国医院数字图书馆减阻是航空器设计的主要问题之一，是节约燃油、提高效能的重要途径。目前，航空器的气动布局基本固定，通过主动[28—30]或被动流动控制技术，改善流体流动特性，减小飞行阻力，成为航空器减阻的主要研究方向。其中，被动流动控制技术采用不同表面微沟槽，简单易行，不需要额外增加太多重量，受到国内外学者和工业界人士的青睐[31]。
20世纪70年代研究发现，受流体黏性等因素的影响，流体在物体壁面流动产生粘滞现象，形成湍流边界层。Bacher和Bechert等学者分别提出了“第二涡”理论和“突出高度”，对表面微结构减阻机理进行了解释[32—34]。Walsh，Gallagher和国内的潘家正等学者也对微沟槽减阻机理提出了自己的理解[35—37]。欧平等则以V形槽减阻实验数据为基础，引入减阻效果影响因子，构建了复杂流动条件下沟槽面几何尺寸到壁面ω值的模化函数方程，并以C919翼身组合体巡航构型为例，完成了沟槽形状、尺寸等优化设计与评估[38]。虽然，
国内外对微沟槽减阻机理还有不同的理解，但可以确定的是，表面微沟槽减阻性能与微沟槽形状和尺寸密切相关。
在微结构减阻性能尺度效应方面，美国国家航空航天局兰利研究中心Walsh等提取了多种生物表面微沟槽结构，率先研究了微沟槽尺寸、形状对减阻性能的影响，考虑了流速、动粘度等，定义了减阻微沟槽无量纲尺寸。
式中：v为动粘度；u∞为自由流速度；Cf为表面摩擦。发现对称的V形沟槽的高度和间距无量纲尺寸分别为h+≤25、s+≤30时，具有减阻特性，而且，间距s+=15时减阻性能最佳，可达8%[9,39—40]。德国航空宇宙中心和推动技术研究所Bruse等研究发现，减阻效果从高到低的微沟槽形状依次为V形、抛物线或半圆形、刀刃形，如图3所示[41—42]。然而，刀刃形结构容易失稳，而半圆形沟槽交界处尖角半径对减阻效应影响较大，半径越小越有利于减阻；h/s为0.5时，最大减阻达9.9%[43—44]。Lazos通过刀刃形沟槽与V形沟槽对比，发现刀刃形沟槽减阻的参数范围更大[45]。国内，包云平、王晋军等也开展了类似的研究，发现微沟槽间距和高度无量纲尺寸介于15~18时，减阻性能较好，水槽中减阻率可达10%[46—47]。近年来，受流体中高速运动生物的启发，如鲨鱼等，根据其皮肤表面微结构等优化设计了仿生减阻微结构的形状和尺寸，取得了非常好的效果[48]。
以上研究表明，表面减阻微结构无量纲尺寸在15左右，根据流速、动粘度等的不同，对应的微沟槽尺寸大约在100 μm左右，而且微结构形状较为复杂，加工制造非常困难，成为微结构制造研究领域的热点和难点之一。
针对单一沟槽结构，如刀刃型、V形、半圆形等结构形式，国内外学者提出了多种加工方法，如机械加工、高能束加工、刻蚀加工以及热压印成形等。德国莱布尼茨-汉诺威大学的Denkena等提出利用带有微沟槽磨削轮磨削加工微沟槽结构新工艺，磨削试验装置见图4，在制备磨削轮的效率和工艺稳定性上具有优势，磨削加工了压气机叶片（X20Cr13）表面V形微沟槽，减阻效果为4%[42]。汉诺威激光研究中心Siegel等采用Nd-YVO4皮秒激光，加工了NACA6510压气机（X20Cr13）叶片表面沟槽结构，见图5，深度为20 μm，并进行风洞试验，减阻效果约为7.2%[49]。国内，程凯、丁辉等采用微机械加工方法，加工了V形槽微结构，风洞实验表明0.2 Ma条件下减阻可达9.56%[4]。李凯等采用电子束加工设备（ZD150- 15MHCV3M）在TC4钛合金表面加工了鱼鳞状沟槽，见图6，减阻效果可以达到15%以上[50]。
以鲨鱼皮为例，如图7所示，为菱形、肋条状排列的盾鳞（placoid scales），长度通常为1
00~200 μm，肋条间的宽度为50~100 μm[51]。在生物仿真盾鳞结构直接复制制造（又称生物约束成形）方面，各国学者进行了卓有成效的研究，采用的主要技术有热压印、微塑铸等，制备出的盾鳞减阻结构件材料主要为聚合物材料[52—53]。
Bechert等采用环氧树脂制备了大比例盾鳞结构，风洞测试表明最大减阻率约为6%[54]。张德远等采用真实鲨鱼皮作为复制模板、使用真空微热压印法复制出聚二甲基硅氧烷（PDMS）仿生鲨鱼皮，平板样件水洞阻力试验表明，最大减阻率达到8.25%，进而成形出兼具纳米长链减阻界面与逼真微米沟槽形貌的复合减阻鲨鱼皮，减阻率得到了进一步提 升[55—56]。此外，采用微电铸法对鲨鱼皮表面形貌进行复制，制备出与生物原型形貌相接近的负向镍质模板，是生物复制技术由聚合物向金属材料的扩展[57]。赵丹阳、汪静等完全靠PMMA固化，直接仿生制 备了具有和鲨鱼皮盾鳞一致的肋条结构薄膜（见图 8）[58—60]。George Lauder等根据灰鲭鲨盾鳞建立了只有0.15 mm长的单齿3D模型，用3D打印技术耗时1年，将上万个小齿嵌入到一个柔韧的、光滑的膜上，得到了仿生鲨鱼皮（见图9），水箱实验发现，贴有该仿生鲨鱼皮船桨的移动速度提升了6.6%、节省5.9%的能量[61—63]。
综上所述，简单形状微沟槽结构主要以机械加工、高能束加工等去除加工为主，但是在加工效率、制造成本方面难以满足大型航空器减阻的需要。仿生微结构直接复制方面，能够真实复制生物表面微结构，但主要使用聚合物等材料，存在强度低、易磨损和老化等问题，难以满足航空器30年左右的长寿命使用要求。虽然个别学者也研究了纯镍材料微结构的制备工艺，但总体上材料的性能还有待进一步提高。
为了克服微机械加工、高能束加工、平面压印成形技术等工具易磨损、不能连续生产、难以进行大面积制备等不足，将传统的微压印工艺和辊压成形工艺相结合，提出了微细辊压成形新工艺，能够高效、低成本地实现大面积微结构制备。根据成形辊结构的不同，辊压工艺主要包括两种：辊对辊（Roll-to-roll，R2R）、辊对平板（Roll-to-plate，R2P）成形工艺。
在R2R辊压成形减阻微沟槽表面方面，陈大融、汪家道等开展了轮毂辊压工艺，制备了一种表面有规则微米级沟槽的PVC薄膜，经风洞测试，证实了该薄膜在高速气流中诱发二阶涡流，显著降低了固-气界面摩擦阻力，具有明显的减阻效果[64—65]。王敏杰、赵丹阳等以真实鲨鱼皮微沟槽结构为模板，采用微热压成形、电铸以及电火花加工等制备了模具钢
微沟槽辊，成形出聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）薄膜，发现PMMA模板成形精度较高，而模具钢模板寿命较高，且几乎没有变形[66—69]。
在金属减阻微结构辊压成形方面，Hirt等提出了直径Φ70~400 μm的钢丝缠绕工艺制备辊轴新工艺（见图10），充填性能对微结构尺寸非常敏感，在板厚减小55%时辊压成形出宽度20 mm×厚度2.0 mm的Al99.5和AlMg3表面微结构，能够满足曲率直径大于100 mm时的拉形成形，压头力为2 kN、面积7 cm2时，微沟槽没有发生明显变形。但是，试验也发现了局部钢丝断裂损坏、钢丝松动等问题，影响了微沟槽的辊压成形质量[15,70—71]。曹简教授等学者开发了表面微结构桌面R2R辊压成形装置，在500 μm厚度AA5052铝合金板材表面成形出槽宽100 μm、深20 μm的阵列微沟槽，发现上、下辊的相对速度等对微流道的质量有显著影响，成形出具有疏水功能的表面微结构（图见11）[72—73]，并提出电流辅助辊压成形工艺，提高微结构辊压成形质量[74]。Lu和Meng等学者开展了阵列微流道结构辊压成形研究，在铝（板厚1.59 mm）和铜（板厚2.35 mm）薄板上，辊压成形出深度为600 μm铝和铜的高质量表面阵列微流道（见图12）[75]。国内，胡志清等学者研究了5052铝合金阵列微流道辊压成形工艺，并在水槽中进行了减阻测试，指出微流道尺寸已经小于1 mm，必然会产生尺度效应现象，必须在后续研究中加以考虑，并进行了微沟槽板材不同
形状如圆柱形、球形、马鞍形以及不同曲率形状的拉形成形工艺研究，发现拉形后微沟槽深度会发生不同程度的降低，而且和沟槽形状、拉形变形量等密切相关（见图13）[76—79]。
芽孢杆菌
式中：v为动粘度；uτ为流动速度。
在辊对平板（R2P）辊压成形方面，张德远等采用溅射与光刻工艺制的镍材料仿鲨鱼皮微结构辊（见图14），开展了连续辊压成形工艺研究，深度方向可复制90%，而宽度方向达100%，但复制的面积比较小，仅有0.01~0.02 mm2[80—81]。上海交通大学来新民教授等分析了辊表面微结构特征尺寸如槽宽（0.4~0.8 mm）、槽间距（0.8~1.2 mm）和圆角半径（0.1~0.3 mm）以及材料晶粒尺寸的影响，发现槽宽尺寸越小，成形越困难，微结构轮廓不规则程度以及表面粗糙度随着晶粒尺寸和辊压深度的增加而增加（见图15）[82]。采用金刚石刀具制备了镍微结构，间距为2.5~7.5 μm，分析了压力对成形的影响，进而采用滚压成形将图形转移至纯铝材料表面（见图16）[83]。辊对平板辊压成形方法，需要有较大面积的微结构模具，受模具制造工艺的限制，辊压成形的面积比较有限。为此，Klocke等学者提出了增量辊压成形工艺（见图17），辊的表面只有一个沟槽，尺寸在几百微米，在Ti-6Al-4V（WL 3.7164）材料表面制备了微结构[84—85]。
辊压成形能够低成本、高效率地制造大面积表面微结构，而且可以加工铝合金等蒙皮常用金属材料，在机械性能等多个方面，满足大型航空器实际应用需要。但是，也要注意到，微结构尺寸与金属材料的晶粒尺寸等比较接近，产生显著的尺度效应等瓶颈问题，给大深宽比微结构制造带来诸多困难。特种能场辅助微结构辊压成形，如电流场、高能束热场等，能够降低金属材料塑性变形抗力，提高微结构成形极限，必将是大面积仿生减阻微结构制造的重要方向之一。城市生活2008
从空气动力飞行伊始，减阻就是航空器设计主要问题之一。微结构减阻具有简单易行、不额外增加重量等优点，受到各国科研工作者和工业界人士的青睐。基于生物表面微结构，采用去除、压印以及滚压等微制造技术，制备了不同类型、尺寸的减阻微结构，获得了良好的减阻效果。但对于复杂应用工况、长寿命航空器等实际大规模工业化应用还需要开展更广泛、更深入的研究，主要包括以下加工方面。科学松鼠会 果壳网
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