流动阻力引起的能量消耗广泛存在于工业生产生活中,有效减小阻力有助于节约资源,提高能源利用率。受水下快速游动鲨鱼的启发,科研人员提出仿生沟槽减阻的思路,大量的研究已表明,具有仿生沟槽的表面相比光滑表面能提供可观的减阻效果。首先,针对近年来沟槽减阻的研究进行回顾及论述,分析前人工作重点及研究不足。前人对仿生沟槽减阻机理的研究大多强调不同沟槽间的通性,而忽视了不同形状沟槽间减阻机理个性的研究。故本文选用数值模拟手段,开展沟槽减阻研究,进行沟槽结构参数优化,对比分析不同沟槽间减阻机理的异同。同时,受荷叶表面形成的超疏水特征启发,为进一步提高仿生沟槽减阻效果,将仿生沟槽与超疏水壁面结合,提出具有超疏水特征的仿生沟槽结构,并研究其减阻效果与机制。在仿生沟槽减阻的数值模拟及结构优化方面,根据前人对沟槽减阻的探究,选取具有典型减阻效应的锯齿形沟槽和刀刃形沟槽,探讨不同沟槽参数对减阻的影响。采用雷诺时均法(RANS)研究沟槽减阻特性,对沟槽结构进行优化设计,为后文开展减阻机理研究做铺垫。结果表明:相同参数下,刀刃形沟槽比锯齿形沟槽具有更高减阻率;减阻率随着雷诺数增加而提高:Re=2900时,刀刃形和锯齿形沟槽分别最大减阻9.5%与7.3%,Re=15000时,刀刃形和锯齿形沟槽最大减阻13.7%与10.1%。在沟槽减阻机理方面,基于优化设计后的沟槽结构开展数值模拟研究。采用大涡模拟(LES)分析沟槽减阻机理,考虑速度场、雷诺应力、涡团分布等典型湍流特征。结果表明:锯齿形和刀刃形沟槽存在不同减阻机理,锯齿形沟槽可控制边界层发展,从而减小流动阻力,而刀刃形沟槽侧重减小壁面雷诺应力减小能量消耗。两类沟槽均可将涡团抬离壁面,减小阻力损失。沟槽壁面可控制拟序结构,减少涡结构间能量输运,抑制湍流发生。在超疏水沟槽减阻数值模拟研究方面,基于优化设计后的沟槽,开展超疏水沟槽减阻数值模拟研究。考虑在沟槽表面构造微纳结构具有一定困难,故提出构建滑移壁面模型来研究超疏水特征。构建不同的超疏水微结构,并获取相应壁面滑移特性,构建滑移壁面模型。将滑移壁面结合沟槽以模拟超疏水沟槽。结果表明:Re=15000,应用(2)号超疏水微结构时,可使锯齿形和刀刃形沟槽减阻率最高提升至63%和58%。采用大涡模拟分析其减阻机制,结果表明:超疏水处理后,沟槽表面速度梯度减小,壁面切应力大幅降低;超疏水沟槽抑制了壁面处的湍流脉动,减小了雷诺应力;涡团能量及尺寸减少,降低了涡团引起的能量消耗,进一步降低了湍流阻力;涡结构断裂,涡间相关度进一步减弱,进一步抑制了湍流,降低了流动阻力。