海洋微生物附着于近海各类人造设施表面,随着附着程度加深会造成航船能量损耗增加、船体腐蚀、管道堵塞、仪表失灵等。因此,防止生物污损技术研究对于能源产业、海洋开发等领域具有重要的意义。以仿生学为基础发展起来的微结构表面防污技术也因其绿色环保的优势日益成为研究热点。本文采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了微结构表面对微生物附着的影响机理,对丰富微结构的防污机理具有重要的学术意义,也对防污形貌表面的设计、筛选与优化具有重要的参考价值。本文建立了多种具有不同结构参数、形状的凹型微结构表面,采用CFD技术分别模拟了不同直径的球形微生物在近壁区的运动情况,分析了多种因素对微结构表面生物附着的影响规律。在此基础上,加工了不同种类、尺寸的形貌表面,进行了藻液沉浸实验。结合实验结果,得到了表面形貌影响指数T,并基于微生物与微结构特征尺寸,构建了微结构表面防污模型。本文所做工作具体如下:首先,建立了5种不同结构参数的二维矩形微坑结构,采用动网格技术模拟了直径为5μm微生物在顺流向、逆流向运动时的流场特征。考察了微坑高宽比、入口流速、微生物运动方向对微坑内壁面附近速度、剪切应力、剪切应力梯度分布的影响,进一步得到了微结构参数对微坑内旋涡流动、微生物沉降和脱附的影响。在此基础上,建立了四种三维微结构表面,分别为正方形、圆形、六边形、仿Sharklet AF表面,通过数值模拟分析了顺流向、逆流向和与流动方向呈45°夹角时,流体的流速、变形速率和剪切应力分布,发现凹型微观形貌上周期单元凹陷面积比、微生物投影面积覆盖边缘数是影响微生物附着的重要参数。然后,通过光刻和刻蚀技术加工制备了 8种不同尺寸和形貌的微结构表面样板,建立了球藻培养环境并进行了流动状态的沉浸实验。通过对实验样板的检测,得到了形貌表面微生物附着图像和荧光图像。对附着荧光图像进行分析得到了不同形貌表面的微生物附着率与表面防污率。最后,结合数值模拟结果对影响表面形貌防污性能的因素进行分析,基于凹型微观形貌上周期单元凹陷面积比、微生物投影面积覆盖边缘数建立了表面形貌影响指数T的表达式,计算得到了 8种微结构表面的T值。考虑微生物与微结构特征尺度的大小关系,分别讨论了微生物大于微结构、微生物小于微结构两种情况下形貌表面防污效果。通过将实验结果中微生物附着率Am 与T的关联关系图进行曲线拟合,得到了Am与T的线性关系,建立了微生物在微观形貌表面附着率的数学模型。综上,本文从微结构对流场影响的角度入手,进一步阐释了微结构防污机理建立了基于表面形貌影响指数的微结构表面防污模型,为微结构设计优化提供了思路。