微间隙排列多微柱结构的缝板拖曳增强特性及机理研究

编辑推荐：本研究针对潜水甲虫游泳刚毛的流体动力学优势，通过OpenFOAM平台的准直接数值模拟(quasi-DNS)方法，揭示了微间隙排列多微柱缝板结构可实现20-30%的拖曳增强效应，主要源于粘性阻力提升。该发现为小型水下推进器设计提供了仿生学启示。

　　在自然界亿万年的进化历程中，潜水甲虫（Dytiscus marginalis等）后肢游泳刚毛形成了直径10-21μm、间隙6-23μm的独特微柱阵列结构。这种非连续的间隙分布与传统认知相悖——通常认为流体会通过间隙导致压力阻力损失。吉林大学仿生工程教育部重点实验室的研究团队通过仿生学视角，提出这种特殊结构可能具有流体动力学优势，并采用OpenFOAM 4.1平台的icoFoam求解器进行准直接数值模拟(quasi-DNS)，相关成果发表在《Scientific Reports》期刊。

研究团队建立了二维多微柱缝板模型，采用三因素二阶正交旋转组合实验设计，通过方差分析揭示了微间隙尺寸与直径比(λ)是影响拖曳增强率(ε_tf)、粘性阻力增强率(ε_vf)和压力阻力降低率(ε_pf)的关键因素。关键技术包括：基于有限体积法(FVM)的空间离散、Runge-Kutta时间离散方法、PISO压力-速度耦合算法，以及ICEM CFD 19.2构建的300万网格单元模型。

结果分析显示：

1. 方差分析与拖曳增强率优化：当λ≈1.0时（对应实际间隙22-35μm），缝板可实现27.56%的最大拖曳增强，与潜水甲虫天然刚毛参数(λ=0.6-1.1)高度吻合。
2. 缝板拖曳变化特性：粘性阻力占比(r_v^G/r_v^SC)达0.85-0.9时拖曳增强效果最佳，此时单微柱平均压力/粘性阻力分别比孤立微柱高24.11%和50.96%。
3. 整体流场对比：λ<0.73时缝板与无缝板均形成"8"字形负压区；λ>1.11后流场均匀化，缝板失去拖曳增强能力。
4. 间隙内部流场：λ=0.73时间隙内出现负压，流体加速效应使最大速度位置后移；λ=1.71时周向切向速度在180°位置出现正负交替，预示流动分离。

结论部分指出：潜水甲虫游泳刚毛的微柱-间隙结构通过粘性阻力主导机制实现20-30%的拖曳增强，这种仿生结构在低流速条件下（Re<15）具有显著流体动力学优势。研究不仅揭示了生物进化中的功能适应性，更为小型水下运载器（特别是桨式推进系统）的减重增效设计提供了新思路。未来研究需进一步探讨板厚影响及高流速条件下的性能转变机制。