研究表明海豚等温血生物,可利用其表皮弹性、体表温度对液体介质主动控制实现减阻。基于上述生物耦合现象,课题组构建并制备了一种弹性与导热性能兼备的仿生功能表面,该表面在流体作用下能够发生变形,而其变形过程中产生的能量耗散将以热量的形式表现,且依靠其导热性能将耗散的热量传递出去并对流体边界层加热,从而实现减阻。弹性导热仿生功能表面在工作过程中与流体之间存在着复杂的多物理场耦合作用,其中主要包括流场与固体边界变形的耦合、固体变形与表面温升的耦合、表面变形和温度与流体介质之间的耦合。为探讨弹性导热仿生功能表面高度非线性复杂的耦合关系,本研究建立了弹性导热仿生功能表面(TEW)与流体介质之间的应力-应变-温度三场耦合模型。针对TEW与流场之间的应力-应变关系研究,本文采用ANSYS+CFX双向流固耦合研究手段,在不同入口速度条件下,对TEW与刚性壁面在槽道内流中分别进行模拟计算,并对TEW与刚性壁面的流场近壁面速度、涡粘性、湍流耗散、湍动能进行对比分析和压差减阻计算;针对TEW应变-温度关系的研究,则将TEW在流体介质作用下产生的形变量数据导入ANSYS软件中并对TEW的温度场进行数值模拟分析,进行TEW的最高温升和表面温度与流速和弹性模量的关系研究;针对TEW表面温度和变形对流体介质的影响研究,本文则在壁面温升条件下对TEW与流体介质之间进行双向流固耦合计算,并进行壁面温差、流体温度和流体速度对流体介质的作用研究。TEW与流场之间的应力-应变关系研究结果表明:TEW流场近壁面速度要比刚性壁面的大,而涡粘性、湍流耗散、湍动能则要比刚性壁面的小;TEW能够对流体介质的扰动迅速作出反应,并利用其弹性变形抑制流体的扰动,从而达到稳定流体介质的作用。本文在四种流体速度:1 m/s、3 m/s、6 m/s和12 m/s下对不同弹性模量的TEW相对刚性壁面的压差进行减阻计算,得到TEW的减阻效果与流速有关,流速为1 m/s时,形变量较小,不足以产生减阻作用;流速为6 m/s、弹性模量为0.05 Mpa时减阻率最高为7.55%;然而流速过大(即12 m/s)时,TEW的减阻效果反而不明显;此外,TEW的减阻效果还与弹性模量有关,不同的流速具有相应的弹性模量最优值。本文从近壁面速度梯度出发分析TEW的减阻机理,发现TEW在流体介质作用下产生波动变形,该变形能够降低近壁面黏性子层与过渡层厚度,提高整体流动效率,降低流体与壁面的黏性阻力,增大近壁面速度,从而实现减阻。TEW应变-温度关系的研究结果表明:TEW的最高温升和表面温度与流速和弹性模量有关;流速越大,弹性模量越小(即形变量越大)时,TEW生热量越高,表面温度也就越大,但相对于初始设定温度20℃,TEW表面最高温升不超过0.5℃;这一结果对TEW表面变形和温度对流体介质的影响研究作为参考。TEW表面变形和温度对流体介质的影响研究结果表明:随流体温度和壁面温差的增加,TEW的减阻效果越好;流体速度对TEW的减阻影响则是流速相对较小时能够增加流体与壁面的换热时间,TEW的减阻效果也就越好。此外,还得到流速对TEW的减阻影响是一个动态的过程,体现在流体与壁面的换热时间与换热面积的综合作用影响流固交界的传热能力,而不同流体速度下,其换热时间与换热面积(表面变形)是呈负相关的。本文揭示了弹性导热仿生功能表面/流体介质系统减阻机制;为仿生减阻技术的发展提供新的理论基础,为实现弹性导热仿生功能表面在流体机械及船、舰艇等的增效、减阻技术应用上提供新思路。