形態(tài)／柔性材料二元仿生耦合增效減阻功能表面的設(shè)計與試驗

田麗梅，高志樺，王銀慈，任露泉，商 震

（1.吉林大學(xué) 工程仿生教育部重點實驗室，長春 130022；2.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，長春 130022）

研究表明，生物以其形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料等多個因素的聯(lián)合作用呈現(xiàn)多種功能，實現(xiàn)對環(huán)境的最大適應(yīng)性，將生物的這種“聯(lián)合作用”稱之為“生物耦合”［1－2］。通過生物耦合形成具有如減阻［3－4］、降噪［5］、脫附［6］、耐磨［7］、隱形［8］等特定功能。生物界中很多與生存環(huán)境協(xié)調(diào)的問題都是通過表面結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的，比較典型也是比較有爭議的當(dāng)屬海豚快速游動之謎。盡管海豚有著完美的流線型體態(tài)，被認(rèn)為是其快速游動的原因之一［9－10］，然而，眾多的試驗研究［11－12］和模擬研究［13］表明其特殊的皮膚構(gòu)造也是其快速游動的主要原因。海豚皮膚外層由一層很薄且柔軟的表皮－角質(zhì)層構(gòu)成，而與角質(zhì)層相互嵌連在一起的是真皮層，角質(zhì)層和真皮層具有不同的硬度和彈性模量，當(dāng)海豚快速游動時，受到水壓作用，角質(zhì)層和真皮層耦合在一起，形成宏觀上的ridges，這就是海豚快速游泳之謎的其中一種解釋［11－12］。受這種特殊皮膚結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，本文設(shè)計了一種材料／形態(tài)二種因素耦合而成的仿生功能表面，并對這種二元耦合功能表面在離心式水泵葉輪上的實現(xiàn)方法進(jìn)行了探索，進(jìn)而對其增效減阻功能進(jìn)行了試驗研究。

1 形態(tài)／材料二元仿生耦合功能表面的設(shè)計

1.1 仿生信息的獲取與處理

首先對海豚皮膚結(jié)構(gòu)進(jìn)行生物信息的提取，經(jīng)簡化建立仿海豚皮膚結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。仿海豚皮膚分上下兩層結(jié)構(gòu)，其材質(zhì)的硬度及彈性模量不同。底層結(jié)構(gòu)由具有如圖1（b）所示的非光滑形態(tài)且彈性模量較大的真皮層構(gòu)成，其上的非光滑形態(tài)主要由截面形態(tài)為矩形和半圓形兩部分組成，矩形的底長為L，深度為H，兩個非光滑單元之間的間距為D，D大概為2L，而表層是由與底層相互嚙合的非光滑形態(tài)及彈性模量較小的角質(zhì)層組成，如圖1（c）所示。其中底部半圓直徑為R′，深度為H′，兩個非光滑凸起之間的距離為D′，同樣D′大概為2L′，上下兩層非光滑結(jié)構(gòu)相互嵌合，因此，L＝L′，D＝D′，H ＝H′。上述基層和面層形成的功能性表面，在流體壓力的作用下，由于表面材質(zhì)硬度及彈性模量不同，其表面會隨著流體壓力的不同，呈現(xiàn)出一種動態(tài)的非光滑，體現(xiàn)了面層和基層之間形態(tài)與材料因素的一個動態(tài)的耦合過程，相應(yīng)的這種表面也稱之為動態(tài)耦合功能表面。

圖1 仿海豚皮膚結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Biomimetic structure model of dolphin skin

1.2 仿生耦合功能表面的設(shè)計

根據(jù)上述生物信息的獲取與處理，考慮到仿生耦合功能表面在工程上實現(xiàn)的難度，本文設(shè)計簡化的形態(tài)／材料二元仿生耦合功能表面如圖2所示。其基層采用硬度較大的金屬材料，其橫截面為正三角形的肋條狀非光滑形態(tài)，三角形的底邊長度為L，三角形非光滑間距為D，D＝2L，如圖2（a）所示。面層材料采用硬度和彈性模量較小的高分子材料——聚氨酯構(gòu)成，與基層材料嵌合的非光滑結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。截面為正三角形的非光滑突起，底邊長度為L′，兩個三角形非光滑結(jié)構(gòu)之間的間距為D′，D＝2L′。

圖2 二元仿生耦合功能表面結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of dual factors bionic coupling functional surface caused by form and materia

2 形態(tài)／材料二元仿生耦合功能表面在離心式水泵葉輪上的實現(xiàn)

上述二元耦合仿生功能表面需要通過兩個步驟在離心式水泵葉輪上實現(xiàn)。首先直接在水泵葉輪基底材料上加工仿生非光滑形態(tài)，水泵葉輪的基底材料為鑄鐵，具有很高的硬度；然后采用噴涂的方法，將具有一定彈性的高分子復(fù)合材料噴涂在水泵葉輪表面。本文選具有很好彈性的聚氨酯材料作為表面層，這樣，形態(tài)／材料二元耦合仿生功能表面在葉輪上的實現(xiàn)能夠得以保證。

2.1 形態(tài)仿生在離心式水泵葉輪上的實現(xiàn)

如圖2（a）所示的非光滑形態(tài)，一般情況可通過表面雕刻或是機(jī)械加工的方法來實現(xiàn)，但是由于葉輪流道不規(guī)則且復(fù)雜，同時由于半封閉的葉輪流道使得加工刀具很難到達(dá)，采用上述兩種方法難以加工成連續(xù)且質(zhì)量較高的非光滑表面，更主要的是采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，還會在葉輪表面形成表面應(yīng)力集中現(xiàn)象，而采用一次性鑄造成型法［14］可有效地解決上述問題。一次鑄造成型法主要通過兩種中間介質(zhì)來實現(xiàn)，一種是硬橡膠，目的是為了加工非光滑形態(tài)，另外一種是髙溫漆，用來高溫定型。其鑄造原理如圖3所示。

圖3 一次鑄造成型法原理圖Fig.3 Mechanism of one time casting molding method

為得到橫截面為圖3（b）所示的非光滑表面，首先在硬橡膠上加工出尺寸和形狀相同的橫截面為正三角形的膠條。并按照設(shè)計好的弧度、布置位置及走向粘貼在砂芯上，形成如圖3（c）所示的非光滑凸起的表面，在非光滑肋條狀凸起表面上涂抹高溫漆，然后合模，鑄造。這種方法稱之為一次鑄造成型法。具體步驟如下:①切割成型。在硬橡膠板上切割截面為三角形的肋條狀膠條，本文設(shè)計的尺寸為L＝0.9mm，D＝1.8mm，為了滿足設(shè)計上的需要，同時考慮到橡膠條受熱膨脹變形以及還要在橡膠條的兩測涂抹高溫漆，因此，切割的橡膠條的尺寸比實際設(shè)計尺寸要小，L＝0.7mm，D＝1.8mm；②涂抹高溫漆。在切割下來的橡膠條上，均勻地涂抹上高溫漆；涂抹過程要迅速，以避免由于高溫漆的凝固導(dǎo)致油漆滴的存在；③粘貼。按照鑄件上要形成的三角形溝槽的位置、走向和弧度，粘貼到砂芯的正、反面上，如圖4所示，形成非光滑表面；④風(fēng)干及修剪。在通風(fēng)的室溫條件下風(fēng)干，避免由于鑄造過程中的高溫使橡膠條受熱變形而改變流道形狀。修剪多余膠條；⑤合模；⑥鑄造并脫模。

圖4 砂芯正、反面Fig.4 Front and the back of the sand core which have non－smooth surface

在砂模上澆注金屬液，高溫漆在澆注時的1～2s內(nèi)不溶化，金屬液在幾秒鐘溫度迅速下降，并冷卻成型，能夠保證三角形肋條形態(tài)成型。由于采用一次鑄造成型技術(shù)，且加工的非光滑形態(tài)尺寸較小，形成的溝槽不會對水泵葉輪的剛度和使用壽命造成影響；此外，橡膠在高溫下，完全氣化并揮發(fā)；高溫漆用量極少，其主要構(gòu)成元素是硅，涂抹在橡膠條上的高溫漆少部分在鑄造成型過程中融入鐵水中，大部分變成粉末狀遺留在成型的葉輪鑄件表面，不對鑄件的性能造成影響。在金屬液持續(xù)高熱狀態(tài)下，砂模、高溫漆、橡膠等材料溶化、消失，形成所需鑄件，實現(xiàn)橫截面為三角形仿生非光滑表面在水泵葉輪上的示意圖如圖5所示。鑄造成型后，對鑄造的非光滑形態(tài)因素的尺寸利用游標(biāo)卡尺進(jìn)行了測量，結(jié)果為:L＝0.92mm，兩溝槽之間的距離D＝1.81mm，其誤差是完全可以接受的。

圖5 水泵葉輪復(fù)雜流道內(nèi)橫截面為三角形的仿生非光滑表面Fig.5 Bionic non－smooth surface which cross－section is triangle shape cast on the complexity channel of pump impeller

2.2 柔性材料仿生在離心式水泵葉輪上的實現(xiàn)

本文面層材料采用硬度和彈性模量較小的高分子材料——聚氨酯。聚氨酯全稱為聚氨基甲酸酯，是主鏈上含有重復(fù)氨基甲酸酯基團(tuán)（NHCOO）的大分子化合物的統(tǒng)稱。聚氨酯涂層柔軟并有彈性，其強(qiáng)度好，可用于很薄的涂層，并有一定的耐磨性能［15］。本文采用的聚氨酯表面涂層是由聚氨酯預(yù)聚體（分子式C10H8N2O2·C6H14O3）以及催化劑（分子式C13H12N2CL2）按照100∶12的質(zhì)量比混合而成，具體實現(xiàn)方式如下:①將上述比例的混合物放入溫度為80℃的電烤箱中融化成液體，攪拌均勻；②放入FZX－1型真空干燥機(jī)中，在負(fù)一個大氣壓下抽真空備用?？紤]到在水泵葉輪流道等復(fù)雜表面涂覆工藝的難度，本文采用旋轉(zhuǎn)涂覆方式實現(xiàn)柔性材料在水泵葉輪表面上的涂覆:首先，把整個葉輪在之前混合好的液態(tài)聚氨酯中浸蘸，使得整個葉輪表面能夠與液態(tài)聚氨酯充分接觸；然后，迅速把浸蘸均勻的葉輪安裝在自制的旋轉(zhuǎn)涂覆裝置的中軸上，利用電機(jī)帶動中軸做正反各10轉(zhuǎn)的反復(fù)旋轉(zhuǎn)運動，利用離心力使液態(tài)聚氨酯均勻涂覆在葉輪流道復(fù)雜表面，自然凝固，然后在高溫120℃硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行首次硫化15min，為了能夠得到較好耐磨性的柔性材料涂層，需在溫度為100℃的硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行二次硫化，二次硫化的時間為8h。

3 二元耦合功能表面增效減阻試驗

3.1 試驗儀器及方法

選擇吉林市方田泵業(yè)有限公司生產(chǎn)的200QJ50－26型離心式水泵葉輪作為設(shè)計載體，采用一次鑄造成型和旋轉(zhuǎn)涂覆工藝，將設(shè)計的耦合仿生功能表面加工到葉輪表面。共加工具有這種形態(tài)／柔性材料的水泵葉輪18個，裝配成二級泵9臺，在這里簡稱仿生耦合水泵。在吉林方田泵業(yè)有限公司潛水泵試驗臺與普通水泵進(jìn)行重復(fù)性對比試驗，其流量和壓力值分別由安裝在試驗臺上的流量計和壓力計測定，試驗臺如圖6所示。該試驗臺具有很高的測試精度（0.5%），在試驗的過程中嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。參考的國家標(biāo)準(zhǔn)有 GB／T12785－2002、GB／T2818－2002、GB／T2816－2002?？紤]到在試驗過程中使用不同的電機(jī)有可能會對水泵性能參數(shù)產(chǎn)生影響，從而影響到水泵的效率。其中5臺仿生耦合水泵采用與普通水泵相同的電機(jī)，另外4臺水泵采用與普通水泵不同的電機(jī)，與兩臺普通水泵進(jìn)行效率對比試驗。其中樣件1，2為普通水泵，樣件3，4，5，6，7為仿生耦合水泵，且與普通水泵采用相同電機(jī)，樣件8，9，10，11是仿生耦合水泵，但是采用電機(jī)與普通水泵不同。

圖6 試驗臺示意圖Fig.6 Sketch of the diving pump test bed

3.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

泵效率ηp可以用如下公式表示

式中:Q′為實測流量；H′揚(yáng)和P′2分別表示總揚(yáng)程和實測軸功率；ρ和g分別表示水的密度和重力加速度。為了使試驗具有可比性，實測流量Q和H揚(yáng)應(yīng)該根據(jù)旋轉(zhuǎn)速度nsp轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速為2850r／min時的標(biāo)準(zhǔn)流量和標(biāo)準(zhǔn)揚(yáng)程。轉(zhuǎn)化公式如下:

式中:n為實測轉(zhuǎn)速；ηp為轉(zhuǎn)化后的效率。

3.3 試驗結(jié)果及分析

圖7 仿生耦合水泵與普通水泵效率對比圖Fig.7 Flow－efficiency comparison between bionic coupling pump and ordinary pump

仿生耦合水泵與普通水泵在整個流量段內(nèi)效率－流量關(guān)系曲線如圖7所示。200QJ50－26型離心式水泵的有效流量段為40～60m3／h，普通水泵的最大效率點處的效率為68%～70%，發(fā)生在流量為50～55m3／h時，此后效率下降很快，但是對于大多數(shù)的仿生耦合水泵而言，最大效率點發(fā)生在流量為50～60m3／h時，并且最大效率基本維持在75%左右，效率可提高5%及以上，此后相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，效率下降緩慢，這使得仿生耦合水泵的效率－流量曲線變得豐滿且平順，這意味著在有效工作范圍內(nèi)，仿生耦合水泵可以連續(xù)地維持在較高工作效率范圍內(nèi)工作。在非有效流量段內(nèi)（即流量為0～40m3／h），考慮仿生非光滑形態(tài)和表面聚氨酯材料兩個因素耦合的仿生耦合水泵，其效率也得到提高，而只考慮仿生非光滑形態(tài)因素的仿生非光滑水泵，效率在這一階段效率與普通水泵相比是降低的［16］。這說明，與只考慮非光滑形態(tài)單因素的仿生非光滑水泵相比，非光滑形態(tài)／聚氨酯材料二元仿生耦合水泵具有更全面的減阻增效功能。其增效機(jī)理如圖8所示:①在流量較低時，即流量在0～40m3／h時，水泵的轉(zhuǎn)速低，流量小，這部分減阻機(jī)理主要通過材料因素的彈性變形實現(xiàn)對流體的控制，如圖8（a）所示，即二元耦合功能表面中的彈性材料通過彈性變形，吸收了部分能量，并通過材料的變形而存儲了這部分能量，在適當(dāng)?shù)蛪旱臅r候，又通過彈性變形釋放這部分能量，并傳給流體介質(zhì)，從而減少了能量損失。②流量較大、壓力較高時，由于面層材料1出現(xiàn)較大的變形，而基底材料與表面面層材料的彈性模量不同，面層材料與基底材料表面上的非光滑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一種動態(tài)的耦合過程，從而在整個耦合功能表面上呈現(xiàn)出一種動態(tài)非光滑狀態(tài)，如圖8（b）所示，根據(jù)流體的壓力呈現(xiàn)出一種類似于海豚皮膚表面的一種動態(tài)自適應(yīng)過程，從而有效地降低了能量的損失。因此，采用耦合動態(tài)仿生功能表面，在整個流量段內(nèi)，水泵的效率均得到提高。

圖8 仿生功能表面增效減阻機(jī)理示意圖Fig.8 Mechanism of drag reduction and efficiency enhancement of bionic coupling functional surface（BCFS）

4 結(jié)束語

利用動態(tài)耦合功能表面面層材料的彈性變形，以及面層材料與基底材料非光滑形態(tài)的動態(tài)耦合，達(dá)到控制流體介質(zhì)的目的，不需要提供額外的動力，就可以有效提高流體機(jī)械的效率，且增效節(jié)能效果顯著，曲線重復(fù)性好，抗干擾性能強(qiáng)（與電機(jī)的選擇無關(guān)），水泵增效性能穩(wěn)定。上述研究為高效節(jié)能流體機(jī)械提供了一種綠色、持續(xù)、有效的技術(shù)，為仿生耦合功能表面在工程上的實現(xiàn)提供了有效的方法。

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