海豚皮肤启发的螺旋桨表面材质可大大提高货轮燃油效率
中国科学院宁波材料技术与工程研究所(NIMTE)研制的一种新型螺旋桨涂有模仿海豚表皮的材质,有望大幅降低大型货轮的油耗和排放。一个多世纪以来,科学家和工程师们一直把海豚当作建造快速、机动水上船只的典范。毕竟,当一种动物能如此轻松地在水中滑行并跃入空中时,这无疑是一个很好的模仿目标。
问题是海豚不应该这样游,因为阻力太大,而且海豚的肌肉强度与人类运动员差不多,所以不可能达到这样的速度。在第二次世界大战之前,这是一个著名的悖论,被称为"格雷悖论"。
后来,工程师们开始注意到一些事情。例如,如果你看到海豹和海豚一起在夜色中游泳,浮游生物会在海豹周围混乱地移动,而它们会在海豚身上流畅滑过,区别就在于海豚非凡的皮肤。
简单地说,海豚的皮肤具有灵活的微观结构,再加上粘液排泄物,当以不同的速度游动时,它能够改变自己。在高速游动时,皮肤会产生一层很薄的湍流层。这层湍流几乎没有摩擦力,海豚周围的水可以简单地滑过,这就是所谓的层流。
如今,层流已被广泛应用于水上船只和飞机,作为减少阻力和提高速度的一种手段。现在,NIMTE 正在将这一原理应用于船舶螺旋桨。它的"仿生海豚皮肤"应用于传统的螺旋桨,与海豚的皮肤并不完全相同,海豚的皮肤要复杂得多。相反,涂层由液态动态界面材料和 0.1 至 0.2 毫米的柔性微结构组成。这样可以减少与水的剪切力,提高螺旋桨的效率。
NIMTE 与中远海运能源运输有限公司合作,在一艘 30 万吨的超大型原油运输船(VLCC)上进行了仿生蒙皮螺旋桨测试。
在中国沿海港口和中东主要港口之间超过 35,000 海里(40,000 英里,65,000 公里)、历时 200 多天的试航中,螺旋桨为原油运输船节省了 2% 的燃料消耗。研究人员估计,将仿生海豚皮套在螺旋桨上的成本为 2 万美元,每年可节约成本超过 14 万美元,同时可减少 900 多吨二氧化碳排放。