类珊瑚触手仿生结构防污机制的研究

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海洋生物污损对海洋中的船舶业、工业、养殖业等有着严重的危害,造成了巨大的经济损失,严重制约了人们对海洋资源的探索与开发。随着环保意识的加深,环境污染严重的传统防污涂层逐渐被禁用,为应对海洋生物污损造成的危害,新型环保防污涂层的研制有着重要的经济价值与战略意义。花环肉质软珊瑚(Sarcophyton trocheliophorum)是一种长期固定生长在海洋中的生物,它们不能像鲨鱼、海豚等动物可以通过运动产生的流体剪切力阻碍污损生物的附着,但其表面却能保持清洁。通过对软珊瑚的观察试验发现,珊瑚触手在流体介质激励下产生的“谐动”响应,对于防止微生物的粘附具有重要作用,受此现象启发,本文设计了类珊瑚触手仿生结构,据仿生相似性原则,设计的类触手结构为圆柱体,其直径D=1 mm,高度为7D,类触手间距为3.5D,通过3D打印制作了白色树脂刚性类触手结构,通过模板法制备了硅橡胶柔性类触手结构。为探究类珊瑚触手仿生结构防污性能及防污机制,本文以海洋中常见的泛养副球菌为污损细菌,通过水槽试验与模拟仿真对单根、多根刚性触手结构以及单根柔性触手结构在0–5 m/s的流速区间内进行了对比试验,试验结果表明:(1)刚性触手对流体激励不产生响应,柔性触手结构在流体激励下不仅沿水流方向会发生弯曲,而且沿垂直于水流的方向会发生摆动,弯曲角度、摆动频率与摆动幅度随流速的增大而增加;(2)不同触手结构上的细菌分布相似,主要集中在迎风区域,背风区域细菌粘附量很少,侧面区域几乎没有细菌粘附;(3)单根刚性触手细菌粘附量随流速的提高呈先减少后增多的趋势,在1.5–3 m/s流速区间粘附量较少。(4)相同流速下不同触手结构不同的部位细菌粘附量存在显著差异:单根刚性触手结构、并列双触手结构以及串列双触手结构前方触手细菌粘附量最多,串列双触手结构后方触手次之,单根柔性触手结构细菌粘附量最少。通过上述防污性能试验结果结合模拟仿真,发现流体介质激励-类触手结构的“谐动”响应是防止细菌粘附的主要机制,流体介质激励-类珊瑚触手结构相互影响-细菌黏附/脱附的机制如下:(1)类触手结构与流体介质的相互作用影响了细菌粘附的分布规律触手圆柱侧面区域切向流速增高阻碍了细菌颗粒的粘附,此区域细菌附着量最少;在触手背风区域存在脱涡现象,流场不稳定不利于细菌颗粒的停留,只有很少细菌在回流中附着在触手壁面;而触手结构迎风区域流体流动性差,形成了一个低流速区,细菌等污染物容易在此区域聚集,是触手结构受污染最严重的区域。(2)流速使边界层厚度和细菌动能发生变化进而影响细菌粘附边界层内的低法向流速使得触手附近形成了一层“水膜”,阻碍细菌颗粒接近触手壁面,且随着流速的增高,边界层内切向流速增大,迫使细菌颗粒更快地离开,导致粘附量下降;然而随着流速地进一步提高,边界逐渐变薄,在短时间内赋予细菌颗粒法向动能增大,使得细菌颗粒迅速穿透边界层“水膜”,粘附在类触手壁面,导致粘附量上升。(3)类触手的柔性特征及其排列方式消除了低流速区域,降低了细菌的粘附柔性类触手在流体介质激励下沿来流方向的弯曲及垂直来流方向的摆动,两种运动的叠加对触手周围的低流速区域产生扰动,使得细菌很难在触手壁面上聚集;串列双触手结构中的后方触手受到前方触手产生的涡街脱落的影响,触手迎风面来流变得不再固定,消除了触手前方低流速区的影响,细菌等污染物难以在不稳定的流场中聚集,提高了触手结构的防污性能。本文通过水槽试验与模拟仿真相结合的方式揭示了类珊瑚触手仿生结构的防污机制,为类触手仿生防污表面的设计提供理论指导,为新型防污涂层的研究提供新的思路。
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