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宁波诺丁汉大学赵雪莹在毕业设计上为飞机机翼上装上鲨鱼皮

作者:商业研学

在航空航天工程专业第一届毕业生的毕业设计展上,赵莹雪的设计项目独树一帜,让人眼前一亮。她尝试在飞机的机翼上应用鲨鱼皮小齿结构,不要小看这看似貌不惊人的一个小齿结构,它不仅可以起到减阻节油的功效,还可以实现二氧化碳的减排,推动绿色航空的发展。

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赵莹雪

目前航空业遇到的问题主要是环境保护问题和经济问题。航空发动机产生的二氧化碳(co2)和氮氧化物(nox)对大气环境有着非常不利的影响,航空燃油效率直接影响机场的经济效益。所以如何实现经济又绿色的飞机设计是大势所趋。航空航天工程大四学生赵莹雪就抓住了航空业的瓶颈,决定在她的毕业设计中,通过将机翼的形状加以改进,减少飞机在飞行过程中的阻力,提升飞机的性能。

在飞机设计中,机翼是很重要的一个部分,因为大部分的升力和阻力都来自这里。升力来自机翼上下表面在气流作用下的压力差,而阻力主要来自于气流在机翼表面的边界层转捩,气流从一开始的层流在逆压梯度的作用下进行转捩并转化成湍流。由于湍流有着更大的表面摩擦阻力,因此,我们在机翼的设计中,也希望可以在最大程度上阻止湍流的出现。” 赵莹雪的导师,研究仿生学在结构表面应用的dinesh bhatia博士给了她一些灵感,也许在大自然中她可以找到答案。

早在地球上出现人类之前,各种生物已在大自然中生活了亿万年,在它们为生存而斗争的长期进化中,获得了与大自然相适应的能力。比如蝙蝠与雷达回声定位探路; 蜜蜂与建筑,相机,人造卫星,偏振定向仪; 鸟类与飞机。人类受到鸟类的启迪,不仅仅发明出了飞机,还改善飞机的各种性能。以上这四个事例发人深省,也使赵莹雪受到很大启发。

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在流体力学领域,她了解到,鲨鱼皮的结构对鲨鱼在海中游动时产生了一定的减阻特性。鲨鱼皮并非如大多数人想象的那样光滑,反而是有着各种各样的像鱼鳞一样的小齿结构。这些小齿会改变流体经过鲨鱼时的特性,从而让鲨鱼变成海里游的最快的物种之一。科学家利用鲨鱼皮结构设计的speedo fast-skin泳衣大大减少了游泳运动员在水中的阻力,帮助他们游的更快。美国游泳运动员迈克尔菲尔普斯在08年北京奥运会上就是穿着这个泳衣获得了8块金牌。因此,赵莹雪在导师dinesh bhatia博士的建议下,她开始尝试将鲨鱼皮上的小齿应用到机翼上来实现减阻的效果。

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在经过查询大量的资料与研究计算后,赵莹雪首先通过对生物原型的研究根据数学模型确定出可在工程技术上进行实验的实物模型尺寸,确定了尺寸之后将鲨鱼皮小齿结构进行cad建模,莹雪将这些建好的模型导入ansys fluent软件,通过计算流体力学(cfd)模拟来找到鲨鱼皮在空气动力学上的作用,并且通过不断调整小齿的位置和角度,寻找最优的减阻方案。

在模拟过程中,她发现当气流经过鲨鱼皮小齿后,会在其后方产生一个分离泡,这种分离泡通过分离和回贴,为气流加速,从而让气流更贴近机翼表面,使得气流更接近于层流,同时可以推迟流动转化成为湍流,减少了摩擦阻力。并且鲨鱼皮小齿结构会产生一个低压区,低压区导致的压差也会抵消一部分的阻力。通过模拟计算,赵莹雪发现与传统机翼比较,鲨鱼皮可以对飞机的飞行起4%的减阻效果以及提高4%升阻比的效果。虽然看上去数值很小,但是这对于如此庞大的一架飞机来说会节省不少燃油。

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进行如此复杂且精妙的毕业设计不仅依靠着赵莹雪的勤奋努力,也离不开她对航天航空的热爱。赵莹雪的父亲是一名发动机oem工程师,在父亲耳濡目染的熏陶下,她对飞机产生了浓厚的兴趣。在准备高考志愿时,她惊喜的发现宁波诺丁汉大学即将开设航空航天工程专业,而且在英国校区,此专业的世界排名很高。能在这样一所既能接受多元化教育模式,又能学习到感兴趣知识的学校学习对她来说是非常开心的一件事。

在大学四年的学习中,赵莹雪始终保持着高涨的学习热情。她的成绩也一直名列前茅。当然,在四年的学习中,充斥着喜悦与收获,还存在着困难与挫折。而这其中,最令莹雪头疼,也让她收益最大的,就是解决问题和自主学习的能力。赵莹雪说:“我认为想要做一名合格的工程师要从大学开始培养自主解决问题的能力。”

在她的毕业设计中,用到的cad软件以及cfd软件,在建模和做网格时会遇到各种各样的问题,而这些问题很难在网上直接找到答案。在遇到问题的时候,她往往先仔细对比各种参数,反复确认,最终排除并解决一些可能导致出错的问题。然后,她会搜索大量相关资料去尝试自己解决问题。“虽然过程是枯燥而且非常痛苦的,但是当我通过自己的能力解决这件问题,就觉得非常开心。当然,如果有实在解决不了的问题,也不要纠结太久,还是求助于有更多经验的老师们吧!”

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unnc多元化的教育体验,也是赵莹雪在宁诺收获的宝贵财富。她说:“我非常感谢老师们在学习道路上对我的指导,培养和无私的帮助。宁诺国际化的师资团队,使得我们可以体验到多样的授课方式。我们可以根据自己的需求调整学习方式,能够更加有效的管理时间并且学习知识。除此以外,unnc使我交到了很多国际教师和朋友,让我了解并体验到了不同国家的风俗文化。我相信这些是我们学校所特有的,是unnc师生宝贵的财富。”

在未来,赵莹雪希望自己能在绿色节能的飞机设计上走的更远,在主动与被动流控制领域继续钻研。在去年12月,她如愿以偿拿到了以工程专业著名的帝国理工学院高级航空工程理学硕士专业的录取通知书,继续自己的学业。

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