专利摘要
本发明提供了一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法，通过设计一种由多个减阻界面周期排列组成的仿生减阻表面结构，并且所述减阻界面包括：底层和设置在底层上的多级结构，所述多级结构包括多级凸起结构，从而实现当固体在流体表面运动时，所述仿生减阻界面使流体的运动状态从层流变成湍流，从而减小固体与流体之间的阻力，且所述仿生减阻表面结构使流体在与其表面接触时形成稳定流动，不仅减小流动阻力，且流体的流动更加稳定，有效减少固体与流体之间的阻力所消耗的能源，减少了由于摩擦所导致的材料磨损，为物体表面结构设计提供了新的理念。
权利要求
1.一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构，其特征在于，由多个减阻界面周期排列组成；所述减阻界面包括：黏性底层和设置在黏性底层上的多级结构；所述多级结构包括：1级凸起结构、2级凸起结构、直至N-1级凸起结构、N级凸起结构，所述N为不小于3的正整数；
多个1级凸起结构设置在所述黏性底层上；
多个2级凸起结构设置在所述1级凸起结构所围成的区域内；
以及，多个N级凸起结构设置在所述N-1级凸起结构内；
所述1级凸起结构脊柱高度满足公式：
h＝k·δ；
其中，h为1级凸起结构脊柱高度，并比较层流阻力系数C
所述黏性底层的厚度与流体的特征长度、特征速度和运动黏度相关；所述黏性底层的厚度正比于特征长度的二分之一次方和运动黏度的二分之一次方，反比于特征速度的二分之一次方。
2.根据权利要求1所述的适用于流体介质的仿生减阻表面结构，其特征在于，各级凸起结构呈柱状或屋脊状，且各级凸起结构的脊柱高度均与黏性底层的厚度成正比例关系。
3.根据权利要求1所述的适用于流体介质的仿生减阻表面结构，其特征在于，所述黏性底层平行于流体速度方向的侧边尺寸计算公式为：
其中，n为与流体运动黏度及固体界面微观结构尺寸有关的常数，L为特征长度，St为斯特劳哈尔数，v为运动黏度，T是时间常数。
4.根据权利要求1所述的适用于流体介质的仿生减阻表面结构，其特征在于，所述N级凸起结构的脊柱高度低于N-1级凸起结构的脊柱高度。
5.根据权利要求4所述的适用于流体介质的仿生减阻表面结构，其特征在于，所述N级凸起结构平行于流体速度方向的侧边尺寸为所在N-1级凸起结构相邻两个脊柱的间隔距离。
6.一种如权利要求1所述的仿生减阻表面结构的制造方法，其特征在于，包括：
加工固体表面，使其粗糙度小于预设黏性底层厚度；
利用3D打印机打印出N级凸起结构；
再利用3D打印机打印出设置在所述N级凸起结构外围的N-1级凸起结构；
依次在N-1级凸起结构所包围区域的外围打印N-2级凸起结构，直到打印出1级凸起结构，得到所述仿生减阻表面结构。
7.一种如权利要求1所述的仿生减阻表面结构的制造方法，其特征在于，包括：
加工固体表面，使其粗糙度小于预设1级凸起结构的高度；
利用激光刻蚀机对固体表面进行刻蚀，形成1级凸起结构；
利用激光刻蚀机对凹陷的1级凸起结构所包围区域进行二次加工，形成2级凸起结构；
依次在N-1级凸起结构所包围的区域内蚀刻出N级凸起结构，得到所述仿生减阻表面结构。
说明书
技术领域
本发明涉及仿生减阻表面结构技术领域，尤其涉及的是一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法。
背景技术
统计资料表明，摩擦消耗掉全世界 1/3 的一次性能源，约有 80%的机器零部件都是因为磨损而失效，而且 50%以上的机械装备的恶性事故都是起因于润滑失效和过度磨损。由此可见，减小摩擦阻力，不仅可以取得显著的经济效益，而且可以有效地节约能源和资源、改善生态环境、消除安全隐患并提高生命质量。
目前经典的摩擦学理论对于解决固体与固体间摩擦的问题较为成熟，而固体与流体间的作用规律还有许多没有完善的理论，且流体层流状态及紊流状态的阻力计算方法有所不同，而减少固体与流体之间的阻力在实际生活中普遍存在，例如：无人机及大型客机的机翼表面，风扇叶片表面，风车的扇叶表面，球类表面，导弹外壳，子弹外表面等等；当流体介质为水时，该设计方法可应用于轮船表面，鱼雷表面结构，泳衣表面结构设计， 潜水艇表面结构等等，因此如何提供一种可以有效减少固体与流体之间阻力的表面结构，有效减少固体与流体之间的阻力所消耗的能源问题，成为研究的焦点。
因此，现有技术有待于进一步的改进。
发明内容
鉴于上述现有技术中的不足之处，本发明的目的在于提供一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法，克服现有技术中还未公开如何有效减少固体与液体之间阻力的仿生减阻表面结构的缺陷。
本发明提供的第一实施例为一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构，其中，由多个减阻界面周期排列组成；所述减阻界面包括：底层和设置在底层上的多级结构；所述多级结构包括：一级凸起结构、二级凸起结构……N级凸起结构，所述N为正整数对应的汉语汉字；
所述底层上设置有多个一级凸起结构；
所述一级凸起结构所围成的区域内设置二级凸起结构；
多个设置在一级凸起结构内的二级凸起结构组成二级结构；
以及，多个设置在N-1级凸起结构内的N级凸起结构组成N级结构。
可选的，所述一级凸起结构、二级凸起结构……N级凸起结构均呈柱状或屋脊状，且所述凸起结构的脊柱高度与底层的厚度成正比例关系。
可选的，所述一级凸起结构脊柱高度满足公式：
；
其中，h为一级凸起结构脊柱高度，k为不小于1的常数，并比较层流阻力系数 与湍流阻力系数 的关系，若 > ，则k取1~5；若 < ，k取2~10。
可选的，所述底层的厚度与黏性底层尺度相当，具体由流体的特征长度、特征速度和运动黏度决定。
可选的，所述底层平行于流体速度方向的侧边尺寸计算公式为：
；
其中， 为与流体运动黏度及固体界面微观结构尺寸有关的常数， 为特征长度， 为斯特劳哈尔数。
可选的，所述N级凸起结构的脊柱高度低于N-1级凸起结构的脊柱高度。
可选的，所述N级凸起结构平行于流体速度方向的侧边尺寸为所在N-1级凸起结构相邻两个脊柱的间隔距离。
本发明提供的第二实施例为一种仿生减阻表面结构的制造方法，其中，包括：
加工固体表面，使其粗糙度小于预设底层厚度；
利用3D打印机打印出最小一级凸起结构；
再利用3D打印机打印出设置在所述最小一级凸起结构外围的次级小凸起结构；
依次在N凸起结构所包围区域的外围打印N-1级凸起，直到打印出一级凸起结构，得到所述仿生减阻表面结构。
本发明提供的第三实施例为一种仿生减阻表面结构的制造方法，其中，包括：
加工固体表面，使其粗糙度小于预设一级凸起结构的高度；
利用激光刻蚀机对固体表面进行刻蚀，形成一级凸起结构；
利用激光刻蚀机对凹陷的一级凸起所包围区域进行二次加工，形成二级凸起结构；
依次在N-1级凸起所包围的区域内蚀刻出N级凸起结构，得到所述仿生减阻表面结构。
本发明提供的第四实施例为一种仿生减阻表面结构的制造方法，其中，包括：
利用丝线编织出N级凸起结构表面；
在所述N级凸起结构表面，嵌入丝线编织的N-1级凸起结构；
依次在N-1级凸起结构中嵌入丝线编制的上一级凸起结构，直至凸起结构的高度达到预设一级凸起结构。
有益效果，本发明提供了一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法，通过设计一种由多个减阻界面周期排列组成的仿生减阻表面结构，并且所述减阻界面包括：底层和设置在底层上的多级结构，所述多级结构包括多级凸起结构，从而实现当固体在流体表面运动时，所述仿生减阻界面使流体的运动状态从层流变成湍流，从而减小固体与流体之间的阻力，且所述仿生减阻表面结构使流体在与其表面接触时形成稳定流动，不仅减小流动阻力，且流体的流动更加稳定，有效减少固体与流体之间的阻力所消耗的能源，减少了由于摩擦所导致的材料磨损，为物体表面结构设计提供了新的理念。
附图说明
图1是本发明所提供的平板界面层流与湍流阻力系数之比随雷诺数的变化趋势，其中，横坐标为对雷诺数取以10为底的对数结果，纵坐标为层流阻力系数与湍流阻力系数之比；
图2是本发明所提供的所述仿生减阻表面结构的结构示意图；
图3是本发明所提供的所述仿生减阻表面结构二级凸起结构示意图；
图4是本发明所提供的所述仿生减阻表面结构制造方法的第一实施例步骤流程图；
图5是本发明所提供的所述仿生减阻表面结构制造方法的第二实施例步骤流程图；
图6是本发明所提供的所述仿生减阻表面结构制造方法的第三实施例步骤流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
目前平板层流阻力的计算方法一般用牛顿内摩擦定律，湍流阻力计算方法一般用对数定律。流体层流或紊流的状态一般用雷诺数 表示，其中， ，
当流体处于低雷诺数状态时，流体一般处于层流状态。然而，在低雷诺数状态下，流体在平板表面发生湍流时阻力系数往往小于层流阻力系数。因此，在低雷诺数状态下，将层流变成有序的湍流，可有效地减小平板在流体中运动时的阻力。在高雷诺数的状态下，流体在平板表面流体状态一般为湍流，此时，高雷诺数条件下层流阻力小于湍流阻力，因而要将湍流转化成层流状态，才能有效地减小阻力。
为了明确层流阻力与湍流阻力之间的关系，对层流阻力系数及湍流阻力系数分别进行计算，首先计算平板层流平均摩擦阻力系数来计算，即
；
式中： 为特征长度为L的物体雷诺数， 为阻力系数。
若流动形式为紊流状态时，则可用紊流边界层阻力系数计算公式，即
；
结合图1所示，对比层流与紊流的阻力系数公式，不难发现，当雷诺数Re>10，无论是层流还是紊流，阻力系数都会随着雷诺数的增大而减小。而当雷诺数为一定值时，层流与紊流计算所得阻力系数略有不同。当雷诺数较小（10<Re<10000）时，用层流模型计算的阻力系数要高于用湍流模型计算的阻力系数，当雷诺数较大（Re>10000）时，层流的阻力系数则要小于湍流阻力系数。
为了减小阻力系数，应在低雷诺数的状态下使流体处于湍流状态，而当雷诺数较大时，使流体处于层流状态，或尽量减小湍流边界层厚度，由此才能减小阻力系数，从而达到减阻的效果。
为了实现流体的湍流，进一步分析结构间尺寸S与相对速度间的关系，引入斯特劳哈尔数（strouhal number），即
；
式中：f是流体漩涡分离频率，L是特征长度， 是流体速度。对于大St（数量级为1），粘度主宰流体，对于小St（数量级为 或以下），高速主宰震荡。在特定流体特定结构尺寸的条件下，若要产生稳定湍流，则在同一个结构周期内，旋涡分离的个数 基本保持不变，即 ， 是一个与流体运动黏度 有关，也与结构尺寸有关的时间常数。
在上述研究的基础上，本发明提供的第一实施例为一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构，如图2所示，本发明提供的仿生减阻表面结构是由多个减阻界面周期排列组成；所述减阻界面包括：底层和设置在底层上的多级结构；所述多级结构包括：一级凸起结构、二级凸起结构……N级凸起结构，所述N为正整数对应的汉语汉字；
所述底层上设置有多个一级凸起结构；
结合图3所示，所述一级凸起结构所围成的区域内设置二级凸起结构；
多个设置在一级凸起结构内的二级凸起结构组成二级结构；
以及，多个设置在N-1级凸起结构内的N级凸起结构组成N级结构。
本发明提供的仿生减阻表面结构上设置有多级结构；所述多级结构包括：依次嵌入到上一级所包围区域内的凸起结构，所述凸起结构的结构为柱状，优选的可以为圆柱状，所述圆柱状的脊柱均不能超出预设高度。
所述预设高度与第一凸起结构中圆柱状结构的脊柱高度相同，且所述凸起结构的脊柱高度与黏性底层的厚度成正比例关系；具体的，所述预设高度h满足以下公式：h=k· ，k为不小于1的常数，并比较层流阻力系数 与湍流阻力系数 的关系，若 > ，则k取1~5，若 < ，k取2~10，仿生界面凸起脊柱长度与特征长度L相当。
较佳的，如图1所示，所述减阻界面的边缘为矩形。各个减阻界面周期排布，并相互贴合，组成本发明所提供的仿生减阻表面结构。
具体的，在流体运动过程中，所述底层尺度与黏性底层尺度相当。本发明所提供的所述仿生表面结构的黏性底层的厚度由流体的特征长度、特征速度和运动黏度相关。具体的，当将所述表面结构投入使用是还可以为黏性底层。所述黏性底层的厚度正比于特征长度和运动黏度的二分之一次方，反比于特征速度的二分之一次方，公式表示为： ，其中 为黏性底层的厚度，单位为m；特征长度L，特征速度U，运动黏度 。所述底层为结构上的参数，加工上的最小尺度，而黏性底层为流体力学领域的流体具备黏性的厚度，两者尺度上设置的相当，但并不是一个概念。
进一步的，底层平行于流体速度方向的侧边尺寸计算公式为：
；
其中， 为与流体运动黏度及固体界面微观结构尺寸有关的常数， 为特征长度， 为斯特劳哈尔数。
由于二级凸起结构嵌入一级凸起结构，因此二级凸起结构的平行于流体速度方向的侧边尺寸小于等于所在N-1级凸起结构相邻两个脊柱的间隔距离；且二级凸起结构的脊柱高度低于一级凸起结构的脊柱高度。进而，为了达到最佳的平流效果，N级凸起结构的脊柱高度低于上一级凸起结构的脊柱高度，也即N-1级凸起结构的脊柱高度。所述N级凸起结构平行于流体速度方向的侧边尺寸为所在N-1级凸起结构相邻两个脊柱的间隔距离。
具体的，本发明所提供的仿生减阻表面结构的参数计算方法如下：
一、根据固态界面的运动情况，明确固态界面与流体之间相对运动的最大速度，以此作为特征速度U，单位为 ；
二、确定流体温度的变化范围，进而查出流体的运动黏度 ，单位为 ；
三、确定固体在流体中的运动方向，以垂直运动方向的最大长度作为特征长度L，单位为m；
四、根据特征长度L，特征速度U，运动黏度 ，计算出固体运动时的整体雷诺数 ，其中， ；
五、分别计算该雷诺数的情况下层流的阻力系数及湍流阻力系数，其中层流阻力系数 ，湍流阻力系数为 ，比较层流阻力系数与湍流阻力系数间的大小关系；
六、计算黏性底层的厚度， ，其中 为黏性底层的厚度（黏性底层），单位为m；
七、确定仿生界面凸起脊柱的高度h，其中h=k· ，k为不小于1的常数，并比较层流阻力系数 与湍流阻力系数 的关系，若 > ，则k取1~5，若 < ，k取2~10，仿生界面凸起脊柱长度与特征长度L相当；
八、根据雷诺数 ，确定斯特劳哈尔数St，根据公式 ，确定无扰动情况下的漩涡分离频率 ，并确定同一结构周期内，旋涡分离个数 ，根据 ，确定时间常数 ，进而确定平行于速度方向的结构尺寸 ， ，其中， 为与流体运动黏度及固体界面微观结构尺寸有关的常数， 为特征长度， 为斯特劳哈尔数；
九、为了让流体流动状态更加稳定，可在凸起的脊柱高度h形成的小结构区域内加入二级结构，且特征长度变为小结构区域内与速度方向垂直的长度 ，且 为这一级结构的特征长度，并重复三至八的步骤；
十、若要流体流动状态更加稳定，可在二级结构中加入三级结构，直至多级结构，多级结构的最小一级结构尺寸脊柱高度应高于机械加工过程中的粗糙度才具有实际意义。
具体的，本发明中采用粗糙度的一个参数：轮廓算数平均偏差，对加工固体表面加工后的粗糙度进行表征。
本发明所述的仿生减阻表面结构，可应用于固体界面与流体接触的领域，本发明中所述的流体可为空气，水等牛顿流体介质。当固体在流体运动过程中雷诺数较小时（10<Re<10000），这一设计界面能够大幅度减小固体界面与流体接触阻力，而当雷诺数较大时（Re>10000），这一界面设计可减小过大湍流界面的产生，使流体在与固态界面接触时形成稳定流动，从而不仅减小流动阻力，且流体的流动更加稳定。
本发明提供的第二实施例为一种仿生减阻表面的制造方法，如图4所示，包括：
步骤S41、加工固体表面，使其粗糙度小于预设底层厚度；
步骤S42、利用高精度3D打印机打印出最小一级凸起结构；
步骤S43、再利用3D打印机打印出设置在所述最小级凸起结构外围的次小级凸起结构；
步骤S44、依次在N凸起结构所包围区域外围打印N-1级凸起，得到所述仿生减阻表面结构。
具体的，本方法具体实施例中的步骤为：当固体表面为刚性体时，如金属表面，可用下列加工方法：方法一为3D打印法：首先加工固体表面，使其粗糙度小于底层厚度，而后应用高精度3D打印机打印出底层的凸起结构，待底层结构打印完成并与固体表面紧密结合后，再利用3D打印机打印出尺度更大一级的凸起结构，并与底层凸起形成两级结构，直至打印出最高的凸起结构。
本发明提供的第三实施例为一种仿生减阻表面的制造方法，如图5所示，包括：
步骤S51、加工固体表面，使其粗糙度小于预设一级凸起结构的高度；
步骤S52、利用激光刻蚀机对固体表面进行刻蚀，形成一级凸起结构；
步骤S53、利用激光刻蚀机对凹陷的一级凸起所包围区域进行二次加工，形成二级凸起结构；
步骤S54、依次在N-1级凸起所包围的区域内蚀刻出N级凸起结构，得到所述仿生减阻表面结构。
方法二为激光刻蚀法：当固体为刚性体时，比如金属刚体时，还可以使用激光蚀刻的方法制造本发明所提供的仿生表面结构。加工固体表面，首先使其粗糙度小于最高凸起的高度（这一方法对固体表面加工精度要求较低，但固体表面蚀刻出的厚度要大于最大凸起高度），而后利用精度较低的激光刻蚀机对固体表面进行刻蚀，形成最高的凸起表面，加工完成后，对凸起内部的凹陷处做平整处理，再用精度较高的激光刻蚀机对凹陷的平面区域进行二次加工，形成第二级凸起结构，若表面凸起结构高于两级，则重复对凸起内部表面凹陷处进行平整及激光刻蚀加工的步骤，直至加工至最小凸起的表面。
本发明提供的第四实施例为一种仿生减阻表面的制造方法，如图6所示，包括：
步骤S61、利用丝线编织出N级凸起结构表面；
步骤S62、在所述N级凸起结构表面，嵌入丝线编织的N-1级凸起结构；
步骤S63、依次在N-1级凸起结构中嵌入丝线编制的上一级凸起结构，直至凸起结构的高度达到预设一级凸起结构。
当表面为柔性体，如泳衣等，加工方法为编织法，首先利用最细的丝线编织出具有最小凸起的结构表面，而后利用在此表面基础上，嵌入更大凸起的丝线进行二次编织，直至满足计算的最大凸起高度的要求为止，编制所得到的结构即为本发明所述方法所要制造的减阻表面结构。
本发明提供了一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法，通过设计一种由多个减阻界面周期排列组成的仿生减阻表面结构，并且所述减阻界面包括：底层和设置在底层上的多级结构，所述多级结构包括多级凸起结构，从而实现当固体在流体表面运动时，所述仿生减阻界面使流体的运动状态从层流变成湍流，从而减小固体与流体之间的阻力，且所述仿生减阻表面结构使流体在与其表面接触时形成稳定流动，不仅减小流动阻力，且流体的流动更加稳定，有效减少固体与流体之间的阻力所消耗的能源，减少了由于摩擦所导致的材料磨损，为物体表面结构设计提供了新的理念。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
一种适用于流体介质的仿生减阻表面结构及其制造方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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