摘 要：反向雨伞可解决传统雨伞难以在狭小空间内自由展开和收拢的问题。为提高防风性能、降低生产成本、方便收缩携带, 通过对反向雨伞的观察和研究并运用仿生学原理, 在雨伞的上表面和下表面分别设计不同材质的鱼鳞片, 以完成反向防风折叠伞的设计。

关键词：反向雨伞; 鱼鳞片; 防风; 折叠伞;

1 前言

雨伞是一种遮阳或遮蔽雨、雪的工具。一般用油纸、油布或塑料布等做成。雨伞的英文Umbrella来自拉丁文的Umbra,有遮阳、阴影处的意思。伞的制作材料通常包括了具延展性的布料, 和其他可用作骨架的材料与缠线。使用时以手将之举起, 虽然伞在最初发明时的主要目的, 是用来阻挡阳光, 但是现在最常被当作雨天挡雨的工具。

2 反向防风折叠伞的优点

基于对传统的雨伞的观察和研究, 许多传统型雨伞展开弧度很大,致使雨伞难于在汽车门和建筑物门口等狭小空间内自由展开和收拢。为了解决这类问题, 市面上出现一种新型雨伞—反向雨伞。

根据对反向雨伞的观察和研究, 其存在着体积庞大,不宜随身携带反向折叠的新型雨伞, 生产成本高, 防风性能小等诸多问题。为了克服目前技术的不足并提高雨伞实用性, 依据仿生学原理, 将鱼鳞形凹坑表面应用于流体减阻领域[1], 并研究其减阻性能。由此我们将在雨伞的上表面和下表面贴合上鱼鳞片, 以起到减阻防风性能的目的。这种雨伞生产成本低, 防风性能高, 具有广阔的市场价值和实用价值。

3 反向防风折叠雨伞的设计

3.1 反向防风折叠雨伞的骨架设计

反向雨伞[2], 包括双伞面结构、伞杆、伞架、移动撑条装置及单向集水装置, 双伞面结构含外伞面和内伞面, 上伞架附设于外伞面上, 上伞架包含若干根上撑条, 每一根上撑条的内端与伞杆上的限位挡块连接, 所述的上撑条从伞杆径向往外伸出;下伞架附设于内伞面上, 下伞架包含若干根下翻转撑条,每一根下翻转撑条的内端与伞杆上的下环形接头连接, 所述下翻转撑条从伞杆径向往外伸出;单向集水装置装于伞杆上端 (如图1所示) 。其采用双伞面结构和翻转式展开方式, 构思新颖, 雨伞展开和收拢时需要的空间极小, 携带、操作方便。雨伞淋湿收拢时, 干燥的内部伞面处于外面, 将被雨淋湿的雨伞封闭, 使吸附在伞面的雨水收集于单向集水装置中, 可避免雨水滴落于周边环境中。

3.2 鱼鳞伞面设计

3.2.1 设计原理

钱风超通过研究分析鱼鳞形凹坑表面对近壁区流动特性的影响, 他提出, 依据仿生学原理, 将鱼鳞形凹坑表面应用于流体减阻领域, 并研究了其减阻性能[1]。受水力机械中过流面上鱼鳞形凹坑磨痕的启发,并结合对鲤鱼鳞片生理结构和表面特性的研究反向折叠的新型雨伞, 设计了鱼鳞形凹坑表面。通过分析鱼鳞形凹坑表面对近壁区流动特性的影响可以发现, 鱼鳞形凹坑通过降低近壁区的速度梯度, 降低了鱼鳞形凹坑区域的壁面剪应力;相比球形凹坑表面, 鱼鳞形凹坑区域的逆压梯度小于球形凹坑区域的逆压梯度, 使得其产生的压差阻力远小于球形凹坑产生的压差阻力, 这是鱼鳞形凹坑表面减阻效果优于球形凹坑表面的原因;在鱼鳞形凹坑内, 形成的低速漩涡起到“微型滚动轴承”的作用, 会显著降低壁面的剪应力,提高减阻性能。我们受到鱼鳞形凹坑磨痕的启发, 并结合对鲤鱼鳞及其表面特性的研究, 我们设计了鱼鳞形凹坑伞面 (如图1所示) 。

图1 鱼鳞形凹坑伞面

图1 鱼鳞形凹坑伞面 下载原图

3.2.2 原料选择

我们选用PG布 (碰击布) 为原料来设计鱼鳞伞面。高密度PG布系采用锦纶 (尼龙) 与棉纱混纺或交织的一种织物, 其经纬密度较大, 性能较好。

4 结语

根据本文所提到的反向雨伞的改进方法设计的反向防风折叠伞, 提高了雨伞的实用性, 节约了收伞时所需要的空间, 通过在伞面上增加鱼鳞片, 以起到增加减阻防风性能的目的。这种雨伞生产成本低, 防风性能高, 具有广阔的市场价值和实用价值。

参考文献

[1]钱风超.仿生鱼鳞形凹坑表面减阻性能的数值研究[D].大连:大连理工大学, 2013.

[2]吴俌葆.反向雨伞[P].CN:2701295Y, 2005-05-25.

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