科技创新

鲨鱼皮肤灵感设计改善空气动力学性能

为了制造更多的空气动力学机器,研究人员从一个不太可能的来源获得灵感:海洋。

哈佛大学的一群进化生物学家和工程师与来自南卡罗来纳大学的同事合作,揭示了有关鲨鱼皮的数十年的神秘感,并在此过程中展示了一种新的生物灵感结构,可改善空气动力学飞机,风力涡轮机,无人机和汽车的性能。

该研究发表在英国皇家学会界面杂志上。

鲨鱼和飞机实际上并非完全不同。两者的设计都是为了有效地穿过流体(水和空气),利用它们的身体形状来产生升力并降低阻力。不同之处在于,鲨鱼在设计过程中拥有大约4亿年的领先优势。

“鲨鱼的皮肤上覆盖着成千上万的小鳞片或小齿,它们在身体周围形状和大小各不相同,”乔治罗德说,亨利布赖恩特Bigelow鱼类学教授和生物学系教授有机和进化生物学,该研究的合着者。 “我们对这些牙齿的结构有很多了解 - 这些牙齿与人类牙齿非常相似 - 但功能一直存在争议。”

大多数研究都集中在小颗粒的减阻性能上,但是Lauder和他的团队想知道这个故事是否还有更多。

“我们问,如果不是主要减少阻力,这些特殊的形状实际上更适合于增加升力,”哈佛大学的博士后研究员Mehdi Saadat说。 Saadat在南卡罗来纳大学机械工程学院任职。

为了帮助检验这一假设,研究人员与来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的一组工程师合作。为了获得灵感,他们转向了世界上最快的鲨鱼shortfin mako。 mako的细齿有三个凸起的隆起,如三叉戟。使用微型CT扫描,团队成像并模仿三维的细齿。接下来,他们用弯曲的空气动力学横截面(称为翼型)在翼面上印刷形状。

“机翼是所有空中设备的主要组成部分,”博士的August Domel说道。哈佛大学艺术与科学研究生院的学生和该论文的共同第一作者。 “我们希望在翼型上测试这些结构,以此作为衡量它们对升力和拖曳对各种空中设备(如无人机,飞机和风力涡轮机)设计应用的影响的方式。”

研究人员测试了水流槽内翼型上20种不同的齿形尺寸,排列和行位置。他们发现,除了减少阻力之外,齿状结构显着增加了升力,充当高功率,低轮廓的涡流发生器。

即使你不知道涡流发生器是什么,你已经看到了一个。汽车和飞机配备了这些小型无源设备,可以改变空气流经移动物体表面的空气动力学特性。现在大多数涡流发生器都采用简单的刀片式设计。

Domel说:“与没有涡流发生器的翼型相比,这些受鲨鱼启发的涡流发生器实现的升阻比提高高达323%。 “凭借这些概念验证设计,我们已经证明,这些生物灵敏涡旋发生器具有超越传统设计的潜力。”

该研究的另一作者之一,SEAS应用力学研究所的Katia Bertoldi,William和Ami Kuan Danoff教授说:“您可以想象这些涡流发生器可用于风力涡轮机或无人机,以提高叶片的效率。 “结果为改善生物灵敏的空气动力学设计开辟了新的途径。”

“这项研究不仅概述了漩涡发生器的新形状,还提供了对复杂和潜在多功能鲨鱼齿的作用的深入了解,”劳德说。

哈佛大学技术开发办公室保护了与该项目有关的知识产权,并正在探索商业化机会。

该研究由哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的James Weaver和南卡罗来纳大学工程与计算系主任Hossein Haj-Hariri共同撰写。这项研究得到了海军研究办公室和国家科学基金会的支持。

出版物:August G. Domel等人,“Shark skin-inspired designs that improved aerodynamic performance,”Royal Society Interface,2018; DOI:10.1098 / rsif.2017.0828

来源:Leah Burrows,SEAS Communications