减小水面舰船及水下航行体在航行时所受到的摩擦阻力,对于提高航行体的航速、航程、节能降耗等方面具有重要意义。为此,人们在湍流边界层减阻方面进行了大量的理论分析和实验研究,提出了诸如非光滑表面、柔顺壁和超疏水等多种减阻方法,但由于种种原因,至今尚未获得广泛的工程应用。本文从鲨鱼的呼吸过程得到启发,将鲨鱼呼吸时由外鳃裂向海水中喷出流体的过程简化为横流的侧向射流过程,对横向射流过程研究发现,当流速比足够小时,射流被封闭在边界层内,使得边界层的厚度增大,继而达到减阻效果,由此提出仿鲨鱼鳃呼吸过程的射流表面减阻法,该方法是通过改变边界层的流场形态来达到减阻目的的。研究湍流边界层的流场结构,对于实现边界层的流场控制和完善边界层理论具有重要的理论研究意义。射流减阻在高超声速飞行器减阻领域研究较多,且获得了显著的减阻效果。但相对于高超声速飞行器减阻而言,水下流场由于有浪涌的存在极为复杂多变,在高超声速领域获得的科研成果在水下流场中是否适用尚需进一步验证。本文围绕仿鲨鱼鳃部呼吸过程的射流流体对边界层的流场控制及其减阻性能开展了如下研究工作:构建仿鲨鱼鳃呼吸过程的射流表面模型,并对其进行数值模拟,验证数值模拟结果的有效性。对白斑星鲨的体表及鳃裂周围结构参数进行实验观测,提取影响鲨鱼鳃部呼吸过程的主要因素,由于鲨鱼的外鳃裂与周围的体表近似于在一个平面上,本文将其抽象为带有射流孔的平板结构,并将鲨鱼的呼吸排水过程抽象为连续的射流过程,建立仿鲨鱼鳃呼吸过程的射流表面模型,并对其进行数值模拟,通过经验公式和实验数据对比两种方法验证数值模拟结果的有效性。研究仿生射流表面的减阻性能。建立减阻率、节能率和节能效率公式,作为衡量仿生射流表面的减阻节能效果的评价标准。研究射流孔尺寸参数、射流孔形状和射流孔个数在不同流场条件下的减阻性能,结果表明:射流孔面积相同时,射流孔沿展向的长度与沿流向长度的比值越大减阻效果越好,射流速度越大、射流流量越大减阻效果越好;圆弧形射流孔的减阻效果最好,随着射流速度的增大,减阻率逐渐增大,当圆弧半径为4mm时减阻效果最好,最大减阻率为9.51%;当流速比固定不变时,无论主流场速度和射流速度如何变化减阻率几乎保持不变,说明流速比是影响减阻效果的主要因素,射流孔个数越多减阻效果越好。研究射流参数之间的关系和各因素对减阻效果的影响规律。对单孔、双孔和旋成体射流表面模型的主要射流参数进行正交优化数值模拟,研究发现,单孔射流时影响减阻节能效果的主次因素分别是射流孔形状因子和流速比,其中不同水平下的减阻率均值与射流孔形状因子呈线性关系,且随着形状因子的增大减阻率逐渐增大,而不同水平下的节能率均值与形状因子呈抛物线关系;影响双孔射流表面减阻效果的主次因素分别是射流孔宽度和射流速度,当其它因素固定不变时,减阻率均值与射流孔宽度、射流速度呈近线性关系;环形射流旋成体具有明显减阻、节能效果,最大节能效率为262,介于“壁面吹吸”和“智能蒙皮”之间。探讨仿生射流表面的减阻机理。通过数值模拟方法分析仿生射流表面边界层内的流场形态,分别得到光滑表面和射流表面的壁面剪应力云图、压应力云图、速度云图、同一剖面处的无量纲速度分布曲线以及壁面法线方向的速度梯度分布,通过对比分析提出基于增大湍流核心速度效应、基于壁面隔离效应、基于增大湍流阻尼效应的减阻机理。通过对射流表面旋成体的流场结构进行研究发现,射流被封锁在边界层内,从而对旋成体底部流体进行补充,从而延缓边界层的分离使得回流区的长度增大,表明旋成体的低压中心相对于无射流时距离后表面的距离增大,即射流表面旋成体的底部静压增大,使旋成体前后表面的压差阻力减小。由此,提出基于增大旋成体底部静压效应的减阻机理。通过流体摩擦阻力测试实验平台对射流表面的流体摩擦阻力进行测试,并与光滑表面进行对比,发现仿生射流表面具有减阻效果,随着射流速度的增大减阻率逐渐增大,随着主流场速度的增大减阻率逐渐减小,流速比越大减阻效果越好,射流孔形状比例因子越大减阻效果越好,并与数值模拟结果进行对比,验证了数值模拟结果的有效性。