基于电荷效应的鱼类减阻机理探索

鱼在游动时会带动近壁面区的水一起向前运动，所受到的摩擦阻力来自于边界层内相邻水层水分子间的剪切作用，而氢键是水分子间的主要结合力，因此探究鱼在游动过程中以何种方式削弱氢键从而减少水分子之间的剪切，将使我们从本质上了解鱼类的减阻机理，既而应用于水面及水下航行体仿生减阻技术的开发上。本项目从研究鱼类体表产生的生物电入手，分析由生物电所引起的电荷效应对水分子间氢键的影响，从而揭示鱼类的减阻机理，并将其应用于仿生自抛光减阻涂料的设计，在船舶及水下航行器材料表面形成具有电荷效应的仿生减阻涂层，最终实现降低航行体摩擦阻力的目的。该项研究成果不仅可以在理论上取得创新性的成果，对仿生学及减阻理论的发展起到补充和促进的作用，而且该项技术可广泛应用于船舶运输和国防军工等领域，对于提高航速航程、节约航运过程中的能源消耗具有重要的经济和军事价值。

鱼在游动时会带动近壁面区的水一起向前运动，所受到的摩擦阻力来自于边界层内相邻水层水分子间的剪切作用，而氢键是水分子间的主要结合力，因此探究鱼在游动过程中以何种方式削弱氢键从而减少水分子之间的剪切，将使我们从本质上了解鱼类的减阻机理，既而应用于水下航行体仿生减阻技术的开发上。.本项目针对水下航行体在航行过程中因摩擦阻力而导致能耗增加、航速航程受限的问题，运用仿生学的思想，从研究鱼类体表电生理特性入手，测量了鱼类在不同运动状态下体表电位的变化，模拟鱼类的电生理特性，研制了一种可控电极电位试件，采用激光拉曼光谱分析试件的电极电位对水中氢键的影响，并利用循环式高速平板水洞和PIV系统对不同电极电位条件下试件的减阻性能进行了测试，得到降低氢键键能与减小摩擦阻力之间的关系，从而揭示出基于电荷效应的鱼类减阻机理。通过模仿鱼类的这种减阻机理，选择具有阳离子特性的离子活性剂及水解催化剂，进行仿生自抛光减阻涂料的配方设计；通过实验室动态模拟实验，检测了涂层的水解特性和表面的电极电位；并利用SKLT-1 型高速水洞研究了仿生自抛光减阻涂层的减阻性能。主要成果如下：.1．鱼类体表呈电正性，活鱼的体表电位>深麻醉后的鱼>死鱼，同种类型的鱼，体型越大的体表电位越高。.2．随外加电压的增加，可控电极电位试件的电极电位增大，可控电极电位试件表面去离子水的拉曼谱带没有明显的变化，而人工海水的拉曼谱带中反映带氢键的O-H伸缩振动峰的峰强显著降低，表明试件表面的电荷效应能够使水中的离子在近壁面区短暂聚集，从而削弱水分子间的氢键作用。.3．水洞测试中，当可控电极电位试件表面的电极电位一定时，所受到的表面摩擦阻力随来流速度增加而增大；当来流速度一定，加载电压为3V时，试件的表面摩擦阻力最小，最大减阻率可达到7.9%。PIV结果表明，随着加载电压的增加，近壁面区中的速度滑移增大、速度梯度变小，壁面剪切力下降。.4．仿生自抛光减阻涂料主要由有机硅改性丙烯酸树脂、聚丙烯酰胺、十六烷基苯磺酸钠、水解催化剂等组成，颜料为铁红和二氧化钛，所用的溶剂为酯类、醇类和芳香族的混合溶剂。电化学工作站测试表明，水中仿生自抛光减阻涂层表面呈现电正性；随水解时间的延长，涂层的质量逐渐减小，可实现涂层的自抛光。.5．减阻性能测试表明，随着来流速度的增加，仿生自抛光试件表面的摩擦阻力随之增大；而当来流速度一定时，试件减阻率在3％以上。