К вопросу перспективности применения природоподобных технологий для повышения эффективности лопастных гидромашин
https://doi.org/10.25206/2588-0373-2023-7-2-58-64
Аннотация
В работе приведен обзор публикаций, посвященных исследованию гидродинамического эффекта «кожи акулы» и его возможным применениям в технических системах, в частности в лопастных насосах. Гидродинамический эффект от «акульей кожи» возникает за счет шероховатостей (риблетов), ориентированных вдоль по потоку, и позволяет снизить величину гидравлического сопротивления в пристеночной области. Проведен анализ исследований по морфологии и репликации акульей кожи, а также некоторые варианты применения данного эффекта в технических системах. Приведены примеры ряда наиболее интересных, по мнению авторов, работ, находящихся в общем доступе. Отмечены некоторые особенности представленных исследований. Сделан вывод о сегодняшнем состоянии биомиметических технологий в гидромашиностроении и о тенденциях развития данной области.
Ключевые слова
гидромашиностроение,
лопастные гидромашины,
биомиметика,
гидродинамика,
эффект кожи акулы,
природоподобные технологии
При поддержке: Результаты получены при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ в рамках выполнения Государственного задания №FSWF-2022-0008, вступившего в силу в соответствии с Соглашением № 075-03-2022-138/5 от 02.11.2022
Об авторах
Г. А. Кромм
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия
Россия
Кромм Герман Александрович - аспирант кафедры гидромеханики и гидравлических машин.
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
А. В. Волков
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия
Россия
Волков Александр Викторович - доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой гидромеханики и гидравлических машин Института гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии НИУ «МЭИ», SPIN-код: 3022-2171. AuthorID (РИНЦ): 726099. ResearcherID: A-6919-2014.
111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, стр. 1
А. В. Рыженков
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия
Россия
Рыженков Артём Вячеславович - доктор технических наук, доцент (Россия), директор Научного центра повышения износостойкости энергетического оборудования электрических станций Института энергоэффективности и водородных технологий НИУ «МЭИ», SPIN-код: 8911-2233. .AuthorID (РИНЦ): 502212
111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, стр. 1
В. Ю. Ляпин
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия
Россия
Ляпин Валерий Юрьевич - доктор технических наук, профессор кафедры гидромеханики и гидравлических машин Института гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии НИУ «МЭИ», SPIN-код: 1675-0187. AuthorID (РИНЦ): 372692.
111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, стр. 1
Е. С. Трушин
Национальный исследовательский университет «МЭИ»
Россия
Россия
Трушин Евгений Сергеевич - аспирант кафедры гидромеханики и гидравлических машин Национального исследовательского университета (НИУ «МЭИ»).
111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, стр. 1
Список литературы
1. Pu X., Li G., Huang H. Preparation, anti-biofouling and drag-reduction properties of a biomimetic shark skin surface // Biology Open. 2016. Vol. 5. P. 389–396. DOI: 10.1242/bio.016899.
2. Chen D., Liu Y., Chen H. [et al.]. Bio-inspired drag reduction surface from sharkskin // Biosurface and Biotribology. 2018. Vol. 4 (2). DOI: 10.1049/bsbt.2018.0006 www.ietdl.org.
3. Daehne B., Watermann B. Shark skin morphology and hydrodynamic properties // Ship & Offshore. GreenTech. 2012.
4. Lauder G. V., Wainwright D. K., Domel A. G. [et al.]. Structure, biomimetics, and fluid dynamics of fish skin surfaces // Physical Review Fluids. 2016. Vol. 1 (6). DOI: 10.1103/PhysRevFluids.1.060502.
5. Wen L., Weaver J. C., Lauder G. V. Biomimetic shark skin: design, fabrication and hydrodynamic function // The Journal of Experimental Biology. 2014. Vol. 217. P. 1656–1666. DOI: 10.1242/jeb.097097.
6. Bhushan B. Bioinspired structured surfaces // Langmuir. 2012. Vol. 28 (3). P. 1698–1714. DOI: 10.1021/la2043729.
7. Martin S., Bhushan B. Discovery of riblets in a bird beak (Rynchops) for low fluid drag // Philosophical Transactions of The Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Sciences. 2016. Vol. 374 (2073). 20160134. DOI: 10.1098/rsta.2016.0134.
8. Zhang C., Gao M., Liu G. [et al.]. Relationship Between Skin Scales and the Main Flow Field Around the Shortfin Mako Shark Isurus oxyrinchus // Front Bioeng Biotechnol. 2022. Vol. 10. 742437. DOI: 10.3389/fbioe.2022.742437.
9. Dнez G., Soto M., Blanco J. M. Biological characterization of the skin of shortfin mako shark Isurus oxyrinchus and preliminary study of the hydrodynamic behaviour through computational fluid dynamics // Journal of Fish Biology. 2015. Vol. 87 (1). P. 123–37. DOI: 10.1111/jfb.12705.
10. Lloyd C. J., Peakall J., Burns A. D. [et al.]. Hydrodynamic efficiency in sharks: the combined role of riblets and denticles // Bioinspiration & Biomimetics. 2021 Vol. 16 (4). DOI: 10.1088/17483190/abf3b1.
11. Ankhelyi M. V., Wainwright D. K., Lauder G. V. Diversity of dermal denticle structure in sharks: Skin surface roughness and three-dimensional morphology// Journal of Morphology. 2018. Vol. 279 (8). P. 1132–1154. DOI: 10.1002/jmor.20836.
12. Lang A. W., Motta P., Hidalgo P. Bristled shark skin: a microgeometry for boundary layer control? // Bioinspiration & Biomimetics. 2008. Vol. 3 (4). 046005. DOI: 10.1088/17483182/3/4/046005.
13. Afroz F., Lang A., Habegger M. L. [et al.]. Experimental Micromachines (Basel). 2019. Vol. 10 (7). DOI: 10.3390/mi10070490. study of laminar and turbulent boundary layer separation control of shark skin // Bioinspiration & Biomimetics. 2016. Vol. 12 (1). 016009. DOI: 10.1088/1748-3190/12/1/016009.
14. Lang A. W., Bradshaw M. T., Smith J. A. [et al.]. Movable shark scales act as a passive dynamic micro-roughness to control flow separation // Bioinspiration & Biomimetics. 2014. Vol. 9 (3). 036017. DOI: 10.1088/1748-3182/9/3/036017.
15. Dean B., Bhushan B. Shark-skin surfaces for fluiddrag reduction in turbulent flow: a review // Philosophical Transactions of The Royal Society A Mathematical Physical and Engineering Science. 2010. Vol. 368. P. 4775–4806. DOI: 10.1098/rsta.2010.0201.
16. Zhang D. Y., Li Y. Y., Han X. [et al.]. High-precision bio-replication of synthetic drag reduction shark skin // Bionic Engineering. 2011. Vol. 56, no. 9. P. 938–944. DOI: 10.1007/s11434-010-4163-7.
17. Wen L., Weaver J. C., Thornycroft P. J. M. [et al.]. Hydrodynamic function of biomimetic shark skin: effect of denticle pattern and spacing // Bioinspiration & Biomimetics. 2015. Vol. 10 (6). 066010. DOI: 10.1088/1748-3190/10/6/066010.
18. Domel A. G., Domel G., Weaver J. C. [et al.]. Hydrodynamic properties of biomimetic shark skin: effect of denticle size and swimming speed // Bioinspiration & Biomimetics. 2018. Vol. 13 (5). 056014. DOI: 10.1088/1748-3190/aad418.
19. Oeffner J., Lauder G. V. The hydrodynamic function of shark skin and two biomimetic applications // Journal of Experimental Biology. 2012. Vol. 215 (Pt. 5). P. 785–795. DOI: 10.1242/jeb.063040.
20. Martin S., Bhushan B. Modeling and optimization of sharkinspired riblet geometries for low drag applications // Journal of Colloid and Interface Science. 2016. Vol. 474. P. 206–215. DOI: 10.1016/j.jcis.2016.04.019.
21. Bixler G. D., Bhushan B. Shark skin inspired low-drag microstructured surfaces in closed channel flow // Journal of Colloid and Interface Science. 2013. Vol. 393. P. 384–396. DOI: 10.1016/j.jcis.2012.10.061.
22. Domel A. G., Saadat M., Weaver J. C. [et al.]. Shark skin-inspired designs that improve aerodynamic performance // Journal of The Royal Society Interface. 2018. Vol. 15 (139). 20170828. DOI: 10.1098/rsif.2017.0828.
23. Ott J., Lazalde M., Gu G. X. Algorithmic-driven design of shark denticle bioinspired structures for superior aerodynamic properties // Bioinspiration & Biomimetics. 2020 Vol. 15 (2). 026001. DOI: 10.1088/1748-3190/ab5c85.
24. Jo W., Kang H. S., Choi J. [et al.]. Light-Designed Shark Skin-Mimetic Surfaces // Nano Lett. 2021. Vol. 21 (13). P. 5500–5507. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c00436.
25. Qin L., Hafezi M., Yang H. [et al.]. Constructing a Dual-Function Surface by Microcasting and Nanospraying for Efficient Drag Reduction and Potential Antifouling Capabilities //
26. Lu Y., Hua M., Liu Z. The Biomimetic Shark Skin Optimization Design Method for Improving Lubrication Effect of Engineering Surface // Journal of Tribology. 2014 Vol. 136 (3). P. 0317031–3170313. DOI: 10.1115/1.4026972.
27. Kim T. W. Assessment of hydro/oleophobicity for shark skin replica with riblets // Journal of Nanoscience and Nanotechnology. Vol. 14 (10). P. 7562–7568. DOI: 10.1166/ jnn.2014.9570.
28. Guo P., Zhang K., Yasuda Y. [et al.]. On the influence of biomimetic shark skin in dynamic flow separation // Bioinspiration & Biomimetics. 2021 Vol. 16 (3). DOI: 10.1088/1748-3190/abdf31.
29. Ibrahim M. D., Amran S. N. A., Yunos Y. S. [et al.]. The Study of Drag Reduction on Ships Inspired by Simplified Shark Skin Imitation // Applied Bionics and Biomechanics. 2018. 11 p. 7854321. DOI: 10.1155/2018/7854321.
30. Liu C., Meng H., Lu S. [et al.]. Design of Nonsmooth Groove Tire Bioinspired by Shark-Skin Riblet Structure // Applied Bionics and Biomechanics. 2022. 6025943. DOI: 10.1155/2022/6025943.
Рецензия
Для цитирования:
Кромм Г.А., Волков А.В., Рыженков А.В., Ляпин В.Ю., Трушин Е.С. К вопросу перспективности применения природоподобных технологий для повышения эффективности лопастных гидромашин. Омский научный вестник. Серия "Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение". 2023;7(2):58-64. https://doi.org/10.25206/2588-0373-2023-7-2-58-64
For citation:
Kromm G.A., Volkov A.V., Ryzhenkov A.V., Lyapin V.Yu., Trushin E.S. On the potential of using nature-based technologies to improve the efficiency of blade hydro-machines. Omsk Scientific Bulletin. Series Aviation-Rocket and Power Engineering. 2023;7(2):58-64. (In Russ.) https://doi.org/10.25206/2588-0373-2023-7-2-58-64
Просмотров:
14
JATS XML
Послать статью по эл. почте 