沙壟給出“最優解”!西工大減阻研究突破半世紀極限!

2023-03-29 14:05:31

來源:西北工業大學

日前,西北工業大學空天微納系統創新團隊在飛行器減阻方面取得突破性進展。該團隊通過模仿我國庫姆塔格沙漠特有的舌狀分形沙壟結構,設計出仿沙壟舌形多層分形減阻微納結構。該結構減阻率較之前國際報道的最好水平提高了52%,減阻風向攝動角度從35°增加到了60°,減阻性能已突破半世紀以來小肋氣動減阻技術性能極限。
仿沙壟舌形分形結構貼膜與結構顯示圖
減阻是航空航天領域長期關注的焦點,不僅影響著飛行器氣動外形設計與布局優化,在能源價格飆升的當下,更對飛行器節能減排、降低運行成本有著重要的應用價值。
近年來,區別于通過改變飛機氣動布局實現減阻的傳統手段,國內外相關領域專家針對改變飛機表面微觀結構實現減阻開展了深入研究。如漢莎航空技術公司通過仿生“鯊魚皮”研制出一款飛機“貼膜”,經試驗應用于波音747-400飛機上,可有效降低飛行摩擦阻力。據漢莎航空官網披露,使用了該款“貼膜”的飛機,每年可少用300噸燃料、減少約900噸碳排放,節省成本20萬歐元。
仿生“鯊魚皮”結構“貼膜”(圖源中國航空報)
但仿生“鯊魚皮”結構在實際應用中還存在著氣動減阻率較低、風向魯棒性較差等問題,即在風向發生變化時很難繼續保持原有的氣動減阻性能。為此空天微納系統教育部重點實驗室主任苑偉政教授與何洋教授團隊在國家自然科學基金重點項目支持下,經過長期比對分析,基于相似準則提取條件特征,最終在茫茫沙漠找到了解決方案。
為什么會選擇沙漠作為仿生對象?
“沙粒在風的搬運堆積下自然形成沙壟,并在沙壟表面形成了具有一定起伏規律的地貌結構。而自然界遵循最小阻力原則,即所有的物質都會沿著最小阻力路徑運動。這說明風在通過這些地貌結構形成的路徑中時能量損失最小,也就意味著這種沙壟結構表面對風的阻力最小。”何洋教授解釋到。
團隊正在開展試驗
此后5年,團隊多次前往新疆、甘肅、內蒙的沙漠地形開展實地考察,分析沙丘形態、沙壟結構、沙粒特征等,掌握了大量第一手數據,最終選定庫姆塔格沙漠作為研究對象。
庫姆塔格沙漠沙壟形狀特征
庫姆塔格沙漠橫臥于阿爾金山與羅布泊之間,受獨特地形影響,8級以上大風天數占全年近三分之一,且來風方向并不固定,因此其沙壟表面形成了世界獨有的“舌形分形結構”。這種特殊的風向條件和不同尋常的結構賦予了團隊研究靈感,“格物致知、師法自然,這或許就是大自然給出的降低風阻的‘最優解’。”團隊負責人苑偉政教授笑著說到。
但知道了仿生對象是什么到做出和仿生對象神似的微納結構,這之間的差距宛若鴻溝。
志不求易,事不避難。研究團隊基于無量綱粘性長度的縮放,經建模及模擬驗證設計出了仿沙壟分形微納結構。針對現有的微納結構加工方式靈活度低、難以實現復雜構型加工的問題,團隊在前期掌握了MEMS(微機電系統)芯片制造技術優勢的基礎上,創造性地提出基于多重掩模的三重光刻方法,有效提升加工精度與效率,實現了多層高深異構復合微結構的精確制造。
仿沙壟舌形分形結構設計圖
仿沙壟舌形微納結構電鏡照片
仿沙壟分形微納結構剖面電鏡照片
結構制造成功,但如何精確測量出結構表面極小量級摩擦力以驗證減阻性能,又成為團隊面臨的新問題。
團隊自主研發、設計搭建了國際首座高分辨力微納減阻測量風洞,為微納結構流動測量提供有效手段,該系統總剪切力分辨力精確至 2.5×10-6N,與人的呼吸氣流作用在一張名片表面的氣動摩擦力大小相當,為公開報道國際風洞剪切力測量的最好結果。
實驗室已建成的微納減阻測量風洞
經多輪試驗與結構優化,最終翼型葉柵空氣動力學國家級重點實驗室出具檢測報告表明:“仿沙壟減阻微納結構蒙皮具有顯著的減阻效果,超過已知公開報道的最高水平。”團隊承擔的國家自然科學基金重點項目——“仿沙壟氣動減阻分形微納結構及其制造技術”也以“優秀”結題,評議專家高度評價該項目為,“研究工作取得突出結果,建議拓展工程應用。”
團隊負責人苑偉政教授(右二)指導團隊開展科研
行程萬里,不忘初心。從前,他們跑遍秦嶺用一片竹葉破解了飛機防除冰難題;今天,他們又從茫茫沙漠找到了氣動減阻的“最優解”,空天微納創新團隊始終牢記著自成立之初便立下的誓言——“要瞄準國家重大需求和國際前沿開展科研。”
習近平總書記指出“在激烈的國際競爭中,我們要開辟發展新領域新賽道、塑造發展新動能新優勢,從根本上說,還是要依靠科技創新。”苑偉政教授對發展前景充滿信心,“下一步,我們希望通過科技成果轉化,讓科研成果在大飛機、高鐵、風力發電等多個領域投入使用,為節能減排、助力實現‘雙碳’目標提供新的解決方案。”

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