基于鲨鱼仿生肋条结构优化饮用水管道变流量条件下的减阻性能研究

本研究针对饮用水输配系统(DWDS)中湍流引起的显著能量损失问题，探索了鲨鱼皮启发的肋条表面在变流量条件下的减阻性能。研究团队通过3D打印制备了短鳍灰鲭鲨(MSI)和黑鳍鲨(BSI)两种仿生肋条结构，在循环水系统中测试发现两者最大减阻率均达6%，但MSI在更宽雷诺数范围(2500g+值为8.45（低于平面流的10.7），为DWDS节能设计提供了重要理论依据。

　　

在全球能源消耗中，饮用水输配系统(DWDS)占据了2-3%的能源使用量，其中大部分能量损失来自于水流与管壁摩擦产生的湍流阻力。随着能源成本上升和可持续发展目标要求提高，水务部门迫切需要提升输水能效。自然界中，鲨鱼皮肤独特的肋条结构经过数百万年进化，能够有效减少游泳时的水阻力，这为工程减阻技术提供了宝贵的灵感来源。

传统研究表明鲨鱼皮启发的肋条表面在控制条件下可实现高达10%的减阻效果，但这些研究多在稳定流动条件下进行，且多针对平面通道流。实际饮用水输配系统运行中，流量随时间不断变化，导致雷诺数(Re)持续波动，且管道曲率效应会改变涡流-肋条相互作用机制。因此，亟需开发适用于管道特定条件的肋条设计，并建立可靠的性能预测指标。

为此，荷兰特文特大学工程技术学院的Mirvahid Mohammadpour Chehrghani等人在《Water Research X》发表了最新研究成果，系统评估了两种鲨鱼仿生肋条设计在变流量管道中的减阻性能。

研究人员采用立体光刻3D打印技术制备实验样品，使用高透明环氧树脂确保结构精度。研究构建了闭环水流实验系统，通过精密压差传感器测量压力损失，测试范围覆盖2500<>

研究团队基于两种鲨鱼皮肤结构设计肋条：短鳍灰鲭鲨启发(MSI)设计采用较小间距(0.6mm)的紧密肋条，适用于较高流速；黑鳍鲨启发(BSI)设计采用较大间距(1.2mm)的宽间距肋条，适用于较低流速。两种设计均保持高宽比h/s=0.5，这是平面流中已知的最佳比例。

2.1. 摩擦因子分析

实验结果显示，在42008500时，BSI甚至出现阻力增加现象。相比之下，MSI在实验全范围(直至Re≈20000)都保持减阻效果，展现出更宽的有效工作范围。

2.2. 阻力变化分析

当以无量纲肋条间距s⁺为变量时，两种设计表现出相似趋势，均在s⁺≈14.5处达到最大减阻约6%，在s⁺≈24时减阻效果归零。但以雷诺数为变量时，两者表现差异显著：MSI在2500<><>

2.3. 涡流-肋条相互作用减阻机制讨论

研究人员提出了概念模型解释减阻机制：肋条通过将流向涡流提升并固定在肋条尖端上方，减少高剪切应力接触面积。当肋条间距小于涡流平均直径(约20壁面单位)时效果最佳。在Re≈5300时，BSI的s⁺≈15接近最优值，而MSI的s⁺≈8因间距较小导致涡流与更多肋条尖端相互作用，效果稍差。在Re≈9000时，MSI的s⁺增至12仍保持有效，而BSI的s⁺达到25已超过最优范围，导致性能下降。

分段式肋条设计还引入了三维流动相互作用：肋条间间隙产生反向流动区域，形成局部再循环区，增强主流向涡流并改变近壁流动结构。横向平面还可产生反向旋转的流向次级涡流，增加壁面法向动量交换，这些效应都可能影响减阻性能。

2.4. 肋条性能关键几何预测因子识别

研究比较了三种几何描述因子：肋条间距s⁺、高度h⁺和沟槽截面积平方根l_g⁺。结果表明l_g⁺的变化幅度仅约8%，远低于s⁺和h⁺的25%分散度。管道流中最佳l_g,opt⁺值为8.45，明显低于平面流报告的10.7，这反映了管道曲率和限制效应改变了近壁尺度。实际应用中，管道需要更小的间隙来保持涡流在肋条尖端上方而不产生过多尖端相互作用。

研究结论与意义

本研究证实仿生肋条表面对减少饮用水输配系统能量消耗具有重要潜力。短鳍灰鲭鲨启发设计因在宽雷诺数范围内保持减阻效果，更适合实际应用场景。研究首次建立了适用于管道流的几何缩放标准，发现l_g⁺≈8.45是最佳预测指标，而非平面流中使用的10.7。这一发现对设计适用于管道系统的肋条表面具有重要指导意义。

通过结合几何参数(s⁺和l_g⁺)与流动参数(Re)，研究提供了评估肋条在变流量条件下性能的综合框架，为开发下一代节能输水系统奠定了理论基础。未来研究可进一步探索肋条几何形状与管道曲率的相互作用，以及长期运行中的污垢积累效应，推动这一仿生技术向实际工程应用迈进。