一种具有气动减阻效果的耦合仿生非光滑柔性表面贴膜

摘要

本发明公开了一种具有气动减阻效果的耦合仿生非光滑柔性表面贴膜。它包括柔性表面层、粘性液体、贴膜基体。柔性表面层与贴膜基体上均具有凹坑、凸包或沟槽的非光滑结构或者柔性表面层与贴膜基体均呈波浪状，柔性表面层的边壁与贴膜基体的边缘粘结为一体，二者之间形成密闭腔体，粘性液体填充在柔性表面层与贴膜基体之间。该贴膜通过设置仿生非光滑柔性表面，将该贴膜粘贴在汽车、高速列车以及城市地铁车身表面可以有效降低其气动阻力。

说明书

技术领域

本发明涉及一种降低产品气动阻力的表面贴膜，尤其涉及一种可以降低汽车、 高速列车、地铁车身表面气动阻力的耦合仿生非光滑柔性表面贴膜。

背景技术

随着我国经济实力的不断提升，我国的交通运输事业也得到了极大的发展。在 汽车方面：汽车已经进入了越来越多的普通家庭，截至2014年底，我国的汽车保 有量已达1.54亿辆，全国平均每百户家庭拥有25辆私家车，其中北京每百户家庭 拥有63辆，广州、成都等大城市每百户家庭拥有超过40辆。在高速铁路方面：截 止2013年底，我国高速铁路运营总里程已经达到了1.1万公里，其中还有1.2万 公里的在建高速铁路正在建设中，我国已经成为目前世界上高速铁路投产运营里程 最长、在建规模最大的国家。在城市地铁方面：截至2013年底，我国获批建设城 市轨道交通的城市已经超过40个，我国城市轨道交通运营里程已达2408公里。

在交通运输事业快速发展的同时，也导致了能源消耗的快速增加，能源问题变 得越来越严重。有关统计数据表明，我国交通运输消耗的石油占全部石油终端能耗 的60％左右，交通运输能耗占全部终端能耗的比例为12.7％，由此可见交通运输成 为我国能源消耗的主要因素之一。在高速行驶时汽车受到的主要阻力是空气阻力， 其与汽车速度的平方成正比，而与之相关的消耗于克服空气阻力的功率，则与汽车 速度的三次方成正比。所以高速行驶时汽车通过燃油得到的动力大部分用于克服空 气阻力，当汽车以v＝80km/h的速度行驶时，消耗燃油所产生的功率有60％用来克 服空气阻力。高速列车在低速运行时,动车组所受的阻力中空气阻力所占的比例比 较小,但当运行速度达到200Km/h和300Km/h时,空气阻力占所受阻力的比例将分别 上升到70％和80％左右。地铁车辆由于其短站距的特点使得其最高运行速度限制在 80-90km/h，空气阻力占所受阻力的比例也会达到30％左右。

由此可见，无论是汽车还是高速列车和城市地铁，其所受的气动阻力都占所受 总阻力的很大部分。降低其气动阻力意味着其能源的经济性和自身的动力性都可以 得到很大的提升，也符合节能环保的发展趋势。

目前无论是汽车还是高速列车和城市地铁，其气动减阻的方式按照作用流体的 控制方式可以分为主动控制和被动控制两类。流体的被动控制不需要外加能量，可 以通过车身的流线型设计和增加导流装置的方式减小其气动阻力。日本的研究人员 根据翠鸟喙的流线型结构设计了高速列车的车头，使得其具有良好的气动特性。国 内外汽车设计人员通常将车身设计为流线型结构，使得其在很大程度上提高整车的 空气动力性能。流体的主动控制是一种需要外加能量的流体控制方式，一般通过在 车身表面加装喷射装置实现。汽车设计人员通常在汽车尾部设置气流喷射装置，使 得尾涡远离车辆后壁，从而减小车辆的前后压差阻力，减小空气阻力。

流线型车身设计、加装导流装置以及加装喷射装置来降低汽车空气阻力的空间 十分有限，其技术已经很成熟，近年来国际国内并没有太多车身气动减阻新技术的 报道。流体的主动控制还需要外加能量，反而会增加能量的消耗。

综上所述，目前各种降低交通运输工具气动阻力的方法都有一定的局限性。气 动阻力消耗大量能源和花费大量的物力财力，因此降低交通运输工具的气动阻力是 目前的当务之急。尤其是在交通运输事业蓬勃发展、运营速度不断提高的今天，更 需要具备空气阻力小的交通工具，所以亟需一种有效的方法来应对该问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种具有气动减阻效果的耦合仿生非光 滑柔性表面贴膜，该贴膜模仿鲨鱼表皮的耦合仿生柔性非光滑结构，将贴膜粘贴在 汽车、高速列车以及城市地铁车身表面可以有效降低其气动阻力。

本发明的具有气动减阻效果的耦合仿生非光滑柔性表面贴膜，包括柔性表面层 和贴膜基体，柔性表面层与贴膜基体上均具有凹坑、凸包或沟槽的非光滑结构或者 柔性表面层与贴膜基体均呈波浪状，柔性表面层的边壁与贴膜基体的边缘粘结为一 体，二者之间形成密闭腔体，在密闭腔体内均匀填充有粘性液体。

上述技术方案中，所述的柔性表面层的材料为橡胶或是聚氨酯材料，所述的贴 膜基体的材料为塑料或是纤维材料，所述的粘性液体采用硅油、润滑油等粘性材 料，粘性液体的40℃运动粘度为20mm²/s—80mm²/s，其厚度为1mm—2mm。

所述的柔性表面层与贴膜基体上的非光滑结构为呈矩形排布的凹坑阵列，所述 的凹坑为半球体凹陷，柔性表面层的凹坑半径为3mm—7mm，贴膜基体的凹坑半 径比柔性表面层上的凹坑半径大1mm—2mm，位于同一排的凹坑中心距为3mm— 8mm，位于同一列的凹坑中心距为2mm—7mm。

所述的柔性表面层与贴膜基体上的非光滑结构为呈矩形排布的凸包阵列，所述 的凸包为半球体突起，柔性表面层的凸包半径为4mm—10mm，贴膜基体的凸包半 径比柔性表面层上的凸包半径小1mm—2mm，位于同一排的凸包中心距为3mm— 10mm，位于同一列的凸包中心距为3mm—10mm。

所述的柔性表面层与贴膜基体上的非光滑结构为均匀排列的沟槽，所述的沟槽 截面为矩形，柔性表面层的沟槽宽度为6mm—10mm，深度为6mm—9mm，贴膜 基体的沟槽宽度比柔性表面层的沟槽宽度大2mm—4mm，深度与柔性表面层的沟 槽深度相同，柔性表面层上相邻两排沟槽中心间距与贴膜基体上相邻两排沟槽的中 心间距相同，均为6mm—10mm。

所述的柔性表面层与贴膜基体均呈波浪状，所述波浪的波峰及波谷的截面均为 半圆形，柔性表面层的波峰半径为4mm—8mm，波谷半径为4mm—8mm；贴膜基 体的波峰半径比柔性表面层的波峰半径小1mm——2mm，其波谷半径比柔性表面 层的波谷半径大1mm—2mm得到。

本发明具有气动减阻效果的耦合仿生非光滑柔性表面贴膜通过对鲨鱼表皮的充 分研究，提取鲨鱼表面的耦合形态布置在贴膜表面，在基体上设置非光滑结构，并 覆盖柔性表面层，且在柔性表面层与基体间填充粘性液体，形成了柔顺的非光滑边 界。采用非光滑结构与柔性表面的耦合作用，以柔顺的边界替代刚性边界，从流体 外侧边界创造条件来影响流体流动，从而使边界易产生动力响应，产生同步波动， 减小牛顿切应力，阻滞层流向湍流的转捩，导致层流附面层增厚，从而减小流体阻 力。同时非光滑形态会产生二次涡，该涡流效应可以提高流体边界层中黏性底层内 湍流脉动的动能，降低了边界层中过渡区的湍动能，从而减小了摩擦阻力，从而使 得该贴膜具有优良的气动减阻的功能。

附图说明

图1扫描电镜下鲨鱼皮表面形貌；

图2半球形凹坑深度尺寸示意图；

图3半球形凹坑结构示意图；

图4半球形凸包高度尺寸示意图；

图5半球形凸包结构示意图；

图6矩形沟槽深度尺寸示意图；

图7矩形沟槽结构示意图。

图8波浪的结构尺寸示意图。

图中：柔性表面层1、粘性液体2、贴膜基体3。

具体实施方式

自然界的动植物经过了亿万年的发展，其表面拥有许多优良的特殊功能形态。 科研人员在研究减黏降阻的途径时，发现自然界的生物，无论是水生动物、土壤动 物、植物、昆虫还是飞鸟，经过进化作用和环境适应后都普遍存在着非光滑的表面 形态，这些非光滑表面的某些特性在实际工程应用中具有良好的效果。随着仿生学 研究的深入，人们发现生物体对外部环境的适应能力不是由一种因素所决定的，而 是由多种因素之间的相互耦合来起作用。例如行动敏捷的海洋生物——鲨鱼，科学 研究表明其体表也并不是光滑形态，通过显微研究表明其表皮底下有由皮下结缔组 织构成的特殊沟槽状形态，并且结缔组织构成的非光滑形态外面还包裹着柔软的皮 肤，正是表面皮肤的柔性与结缔组织的非光滑形态两者的耦合作用使得鲨鱼表皮具 有良好的减阻效果，如图1所示。

因此，通过研究鲨鱼的表面的耦合结构，本发明提出了一种具有气动减阻效果 的耦合仿生非光滑柔性表面贴膜。以下结合附图和具体实施例，对本发明所述的耦 合仿生非光滑柔性表面贴膜进行详细说明。

如图2-8所示，耦合仿生非光滑柔性表面贴膜柔性表面层1和贴膜基体3，柔 性表面层1与贴膜基体3上均具有凹坑、凸包或沟槽的非光滑结构或者柔性表面 层1与贴膜基体3均呈波浪状，柔性表面层1的边壁与贴膜基体3的边缘通过ABS 塑料胶水粘结为一体，二者之间形成密闭腔体，在密闭腔体内均匀填充有粘性液体 2。

柔性表面层1的材料可以选择橡胶或是聚氨酯材料，贴膜基体3的材料可以 选择为塑料或是纤维材料，粘性液体2可以采用硅油、润滑油等粘性材料。粘性 液体2的40℃运动粘度为20mm²/s—80mm²/s，其厚度为1mm—2mm。

如图2、图3所示，在柔性表面层1与贴膜基体3上的非光滑结构为呈矩形排 布的凹坑阵列，所述的凹坑为半球体凹陷，柔性表面层1的凹坑半径为R₂＝3mm— 7mm，贴膜基体3的凹坑半径R₁比柔性表面层1上的凹坑半径R₂大1mm— 2mm，位于同一排的凹坑中心距L₁为3mm—8mm，位于同一列的凹坑中心距L₂为 2mm—7mm。

如图4、图5所示，在柔性表面层1与贴膜基体3上的非光滑结构为呈矩形排布的 凸包阵列，所述的凸包为半球体突起，柔性表面层1的凸包半径R₂为4mm— 10mm，贴膜基体3的凸包半径R₁比柔性表面层1上的凸包半径R₂小1mm— 2mm，位于同一排的凸包中心距L₁为3mm—10mm，位于同一列的凸包中心距L₂为 3mm—10mm。

如图6、图7所示，在柔性表面层1与贴膜基体3上的非光滑结构为均匀排列 的沟槽，所述的沟槽截面为矩形，柔性表面层1的沟槽宽度W₂为6mm—10mm， 深度为6mm—9mm，贴膜基体3的沟槽宽度W₁比柔性表面层1的沟槽宽度W₂大 2mm—4mm，深度D₁与柔性表面层1的沟槽深度D₂相同，柔性表面层1上相邻两 排沟槽中心间距W₃与贴膜基体3上相邻两排沟槽的中心间距W₄相同，均为6mm —10mm。

如图8所示，所述的柔性表面层1与贴膜基体3的表面均呈波浪状，所述波 浪的波峰及波谷的截面均为半圆形，柔性表面层1的波峰半径R₁为4mm—8mm， 波谷半径R₃为4mm—8mm；贴膜基体3的波峰半径R₂比柔性表面层1的波峰半 径R₁小1mm—2mm，其波谷半径R₄比柔性表面层1的波谷半径R₃大1mm—2mm 得到。

耦合仿生贴膜表面设置有不同形状的非光滑结构，在与流体接触的情况下，非 光滑形态会产生二次涡，该涡流效应可以提高产品边界层中黏性底层内湍流脉动的 动能，降低了边界层中过渡区的湍动能，从而减小了摩擦阻力，从而使得该贴膜具 有优良的气动减阻的功能。

耦合仿生贴膜在非光滑表面覆盖有柔性表面层1，并在柔性表面层1与贴膜基 体3间充满了粘性液体2，形成了柔顺的边界。以柔顺的边界替代刚性边界，从流 体外侧边界创造条件来影响流体流动，以被动控制的方式控制了流体，从而使边界 能够产生动力响应和同步波动，减小流体的牛顿切应力，并且可以阻滞层流向湍流 的转捩，导致层流附面层增厚，最终使得贴膜具有优良的气动减阻效果。