摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。
关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力
中图分类号：Q692文献标志码：A
收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。通信作者：李田博士。Email：litian2008@home.swjtu.edu.cn王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334.
WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic drag
reduction of bionic surface microstructures
WANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1
（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu， Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000， China）
Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complex shapes. The analysis indicates that the types of bionic microstructure surfaces have great effect on drag reduction， the mechanical research and aerodynamic drag reduction are focal points of the bionic microstructure surface drag reduction technology， which can further improve the efficiency of energy conservation and reduce consumption， and has a great prospect in engineering fields such as aircraft， highspeed trains， cars， etc.
Keywords：bionics； microstructure surface； drag reduction； turbulent structure； aerodynamic drag
《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出“科学合理使用能源，大力提高能源效率，推进重点领域和关键环节节能”。《中国制造2025》提出“推进轨道交通领域的快速发展，加快研制全新绿色的、智能的高速重载轨道交通设备”。相关调研表明：运输系统全部能耗的1/6用于克服气动阻力，“如果减少50%的气动阻力，那么运输系统将减少7.85%的能源消耗，同时降低约300亿美元的开支”[1]。随着人们对气动阻力的不断关注，减阻已经成为节约能耗的重要途径之一。目前，降低运动物体气动阻力的研究主要围绕宏观尺度进行，例如优化汽车造型和列车车头外形等。实际上，运动物体的气动性能优化也可以从微观角度考慮，大多数高速运动结构的表面都设计为光滑的，然而自然界一些生物的体表具有非光滑特性。仿生学中的表面微结构能够为优化运动物体的气动性能（特别是减阻）提供新思路。河北科技大学学报2017年第4期王政，等：仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述仿生学中的表面微结构特性是动物为适应生存环境经过万年的进化形成的。例如，作为水中游行最快的动物，旗鱼的最快速度可达190 km/h，它青褐色的身躯上，镶有纵队排列的灰白色斑点，像很多条圆点线（见图1 a））；而空中飞行最快的动物尖尾雨燕，其最快速度高达352.5 km/h（见图1 b））。表面微结构减阻的成功应用案例为鲨鱼皮泳衣和高尔夫球：鲨鱼皮泳衣仿照鲨鱼的表面微结构；高尔夫球表面布满大小不一的圆形凹坑。合适的表面微结构能够有效地降低流体绕过物体表面所产生的阻力。
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