快速鲨鱼盾鳞肋条结构的表征及其减阻仿生学初步研究

论文摘要

快速鲨鱼体表覆盖着一层独特的盾鳞,盾鳞表面具有肋条结构(沟槽结构)。这种盾鳞肋条结构能够优化鲨鱼体表流体边界层的流体结构,从而能有效减小水体阻力,降低能量依赖度,获得极高的游速。研究表明快速鲨鱼盾鳞肋条结构的减阻作用主要取决于其肋条的适宜的物理尺寸(肋条间距和肋条高度)。因此测量获得快速鲨鱼盾鳞肋条结构的肋条尺寸对于一种新型的应用于船舶表面并能减少水体阻力的盾鳞肋条结构仿生材料的研发设计具有极其重要的指导作用。本研究的主要目的是为了提供快速鲨鱼盾鳞肋条表面结构的综合具体的形态数据信息,尤其是提供盾鳞肋条尺寸方面的数据,为一种新型的应用于船舶表面并能减少水体阻力的盾鳞肋条结构仿生材料的开发设计奠定了坚实的基础。不言自明,这种新型的盾鳞肋条结构仿生材料的设计成功,将能够显著减少海运河运运输工具的燃油消耗、提高航行速度、延长航行路程与航行时间,因而具有极其重要的经济意义和军事意义。本研究,即快速鲨鱼盾鳞肋条结构的表征及其减阻仿生学初步研究,采用扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)技术及样品精细操作手段,共计拍摄了6种6条鲨鱼盾鳞的1751张扫描电镜照片。尤其对其中的两种典型快速鲨鱼体表不同部位的盾鳞开展了系统深入的表征和减阻仿生学研究,提供了这两种快速鲨鱼的盾鳞肋条表面结构在形态结构方面的综合具体的形态数据信息,主要包括:单个盾鳞的形态、盾鳞的排列方式以及盾鳞的肋条尺寸(riblet dimensions)。根据所获得的快速鲨鱼的盾鳞肋条结构的形态数据信息,分析归纳后初步设计了两款盾鳞肋条表面结构仿生材料模型。本研究的创新性在于国际上首次提供了平双髻鲨和短鳍灰鲭鲨这两条典型的快速鲨鱼体表不同部位的单个盾鳞的形态、盾鳞的排列方式及盾鳞的肋条尺寸这三方面的盾鳞形态数据信息,并深入分析了这三方面的盾鳞形态数据信息的区域性差异,为我国自主研发设计出一种新型的应用于船舶表面并能减少水体阻力的盾鳞肋条结构仿生材料奠定了坚实基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 前言
• 1.1 鲨鱼盾鳞的组织结构
• 1.2 鲨鱼盾鳞的形态
• 1.2.1 鲨鱼盾鳞的形态划分
• 1.3 鲨鱼盾鳞的功能
• 1.3.1 保护作用
• 1.3.2 防御作用
• 1.3.3 作为感觉器官载体的作用
• 1.3.4 减阻作用
• 1.3.5 鲨鱼盾鳞的其它功能
• 1.4 鲨鱼盾鳞的功能与形态的对应关系
• 1.5 盾鳞肋条结构的减阻机理研究进展
• 1.5.1 减小剪切压力
• 1.5.2 阻滞横向涡旋
• 1.5.3 诱发次级涡旋
• 1.5.4 防止流体分离
• 1.5.5 盾鳞的覆瓦式排列
• 1.6 仿生材料模型的设计与测试进展
• 1.6.1 肋条结构仿生材料模型的设计
• 1.6.2 肋条结构仿生材料模型的测试
• 1.7 肋条结构仿生材料的减阻应用情况
• 1.7.1 飞行器、舰艇表面
• 1.7.2 输油管道内壁
• 1.7.3 竞技泳衣
• 1.8 本章小结
• 1.9 本研究的主要研究工作
• 第二章 鲨鱼样本的获取和鲨鱼的种类鉴定
• 2.1 实验用鲨鱼的获取
• 2.2 鲨鱼的种类鉴定
• 2.2.1 鲨鱼的种类鉴定方法
• 2.2.2 鲨鱼的种类鉴定结果
• 2.3 本章小结
• 第三章 快速鲨鱼盾鳞肋条结构的表征及其减阻仿生学初步研究
• 3.1 鲨鱼盾鳞样本的取样及扫描电镜盾鳞样本的制备
• 3.1.1 鲨鱼盾鳞样本的取样
• 3.1.2 扫描电镜盾鳞样本的制备
• 3.2 扫描电镜样本的观察方法和盾鳞肋条尺寸的测量方法
• 3.2.1 扫描电镜样本的观察方法
• 3.2.2 盾鳞肋条尺寸的测量方法
• 3.3 扫描电镜样本的观察
• 3.3.1 以获取单个盾鳞样本的形态为目的进行的扫描电镜观察
• 3.3.2 以获取盾鳞的排列方式为目的进行的电镜观察
• 3.3.3 以获取两条快速鲨鱼盾鳞肋条尺寸为目的进行的电镜观察
• 3.4 盾鳞肋条尺寸的测量
• 3.4.1 平双髻鲨体表不同部位盾鳞肋条尺寸的测量
• 3.4.2 短鳍灰鲭鲨体表不同部位盾鳞肋条尺寸的测量
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 单个盾鳞的形态
• 3.5.2 盾鳞的排列方式
• 3.5.3 盾鳞的肋条尺寸
• 3.6 鲨鱼盾鳞肋条结构仿生模型
• 3.7 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录