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甯波諾丁漢大學趙雪瑩在畢業設計上為飛機機翼上裝上鲨魚皮

作者:商業研學

在航空航天工程專業第一屆畢業生的畢業設計展上,趙瑩雪的設計項目獨樹一幟,讓人眼前一亮。她嘗試在飛機的機翼上應用鲨魚皮小齒結構,不要小看這看似貌不驚人的一個小齒結構,它不僅可以起到減阻節油的功效,還可以實作二氧化碳的減排,推動綠色航空的發展。

甯波諾丁漢大學趙雪瑩在畢業設計上為飛機機翼上裝上鲨魚皮

趙瑩雪

目前航空業遇到的問題主要是環境保護問題和經濟問題。航空發動機産生的二氧化碳(co2)和氮氧化物(nox)對大氣環境有着非常不利的影響,航空燃油效率直接影響機場的經濟效益。是以如何實作經濟又綠色的飛機設計是大勢所趨。航空航天工程大四學生趙瑩雪就抓住了航空業的瓶頸,決定在她的畢業設計中,通過将機翼的形狀加以改進,減少飛機在飛行過程中的阻力,提升飛機的性能。

在飛機設計中,機翼是很重要的一個部分,因為大部分的升力和阻力都來自這裡。升力來自機翼上下表面在氣流作用下的壓力差,而阻力主要來自于氣流在機翼表面的邊界層轉捩,氣流從一開始的層流在逆壓梯度的作用下進行轉捩并轉化成湍流。由于湍流有着更大的表面摩擦阻力,是以,我們在機翼的設計中,也希望可以在最大程度上阻止湍流的出現。” 趙瑩雪的導師,研究仿生學在結構表面應用的dinesh bhatia博士給了她一些靈感,也許在大自然中她可以找到答案。

早在地球上出現人類之前,各種生物已在大自然中生活了億萬年,在它們為生存而鬥争的長期進化中,獲得了與大自然相适應的能力。比如蝙蝠與雷達回聲定位探路; 蜜蜂與建築,相機,人造衛星,偏振定向儀; 鳥類與飛機。人類受到鳥類的啟迪,不僅僅發明出了飛機,還改善飛機的各種性能。以上這四個事例發人深省,也使趙瑩雪受到很大啟發。

甯波諾丁漢大學趙雪瑩在畢業設計上為飛機機翼上裝上鲨魚皮

在流體力學領域,她了解到,鲨魚皮的結構對鲨魚在海中遊動時産生了一定的減阻特性。鲨魚皮并非如大多數人想象的那樣光滑,反而是有着各種各樣的像魚鱗一樣的小齒結構。這些小齒會改變流體經過鲨魚時的特性,進而讓鲨魚變成海裡遊的最快的物種之一。科學家利用鲨魚皮結構設計的speedo fast-skin泳衣大大減少了遊泳運動員在水中的阻力,幫助他們遊的更快。美國遊泳運動員邁克爾菲爾普斯在08年北京奧運會上就是穿着這個泳衣獲得了8塊金牌。是以,趙瑩雪在導師dinesh bhatia博士的建議下,她開始嘗試将鲨魚皮上的小齒應用到機翼上來實作減阻的效果。

甯波諾丁漢大學趙雪瑩在畢業設計上為飛機機翼上裝上鲨魚皮

在經過查詢大量的資料與研究計算後,趙瑩雪首先通過對生物原型的研究根據數學模型确定出可在工程技術上進行實驗的實物模型尺寸,确定了尺寸之後将鲨魚皮小齒結構進行cad模組化,瑩雪将這些建好的模型導入ansys fluent軟體,通過計算流體力學(cfd)模拟來找到鲨魚皮在空氣動力學上的作用,并且通過不斷調整小齒的位置和角度,尋找最優的減阻方案。

在模拟過程中,她發現當氣流經過鲨魚皮小齒後,會在其後方産生一個分離泡,這種分離泡通過分離和回貼,為氣流加速,進而讓氣流更貼近機翼表面,使得氣流更接近于層流,同時可以推遲流動轉化成為湍流,減少了摩擦阻力。并且鲨魚皮小齒結構會産生一個低壓區,低壓區導緻的壓差也會抵消一部分的阻力。通過模拟計算,趙瑩雪發現與傳統機翼比較,鲨魚皮可以對飛機的飛行起4%的減阻效果以及提高4%升阻比的效果。雖然看上去數值很小,但是這對于如此龐大的一架飛機來說會節省不少燃油。

甯波諾丁漢大學趙雪瑩在畢業設計上為飛機機翼上裝上鲨魚皮
甯波諾丁漢大學趙雪瑩在畢業設計上為飛機機翼上裝上鲨魚皮

進行如此複雜且精妙的畢業設計不僅依靠着趙瑩雪的勤奮努力,也離不開她對航天航空的熱愛。趙瑩雪的父親是一名發動機oem工程師,在父親耳濡目染的熏陶下,她對飛機産生了濃厚的興趣。在準備聯考志願時,她驚喜的發現甯波諾丁漢大學即将開設航空航天工程專業,而且在英國校區,此專業的世界排名很高。能在這樣一所既能接受多元化教育模式,又能學習到感興趣知識的學校學習對她來說是非常開心的一件事。

在大學四年的學習中,趙瑩雪始終保持着高漲的學習熱情。她的成績也一直名列前茅。當然,在四年的學習中,充斥着喜悅與收獲,還存在着困難與挫折。而這其中,最令瑩雪頭疼,也讓她收益最大的,就是解決問題和自主學習的能力。趙瑩雪說:“我認為想要做一名合格的工程師要從大學開始培養自主解決問題的能力。”

在她的畢業設計中,用到的cad軟體以及cfd軟體,在模組化和做網格時會遇到各種各樣的問題,而這些問題很難在網上直接找到答案。在遇到問題的時候,她往往先仔細對比各種參數,反複确認,最終排除并解決一些可能導緻出錯的問題。然後,她會搜尋大量相關資料去嘗試自己解決問題。“雖然過程是枯燥而且非常痛苦的,但是當我通過自己的能力解決這件問題,就覺得非常開心。當然,如果有實在解決不了的問題,也不要糾結太久,還是求助于有更多經驗的老師們吧!”

甯波諾丁漢大學趙雪瑩在畢業設計上為飛機機翼上裝上鲨魚皮

unnc多元化的教育體驗,也是趙瑩雪在甯諾收獲的寶貴财富。她說:“我非常感謝老師們在學習道路上對我的指導,培養和無私的幫助。甯諾國際化的師資團隊,使得我們可以體驗到多樣的授課方式。我們可以根據自己的需求調整學習方式,能夠更加有效的管理時間并且學習知識。除此以外,unnc使我交到了很多國際教師和朋友,讓我了解并體驗到了不同國家的風俗文化。我相信這些是我們學校所特有的,是unnc師生寶貴的财富。”

在未來,趙瑩雪希望自己能在綠色節能的飛機設計上走的更遠,在主動與被動流控制領域繼續鑽研。在去年12月,她如願以償拿到了以工程專業著名的帝國理工學院進階航空工程理學碩士專業的錄取通知書,繼續自己的學業。

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