全球气候变暖已成为世界共同的挑战,我国出台了“十三五”规划等一系列政策积极应对能源问题,而航运业的发展对能源有着较高依赖。随着海洋强国战略的实施,船舶等海中航行器减阻降耗的性能要求得到进一步提高。仿生非光滑表面减阻技术因具有可设计性强、稳定性高、环保经济等优势而成为减阻研究热点。仿生对象的正确选取及研究方法的合理性至关重要。河鲀具有良好的减阻降耗能力,已通过仿真试验及水洞实验得到初步验证。本文以河鲀体刺为研究对象,利用建模技术、仿真试验、水洞实验及理论基础等方法对其尺寸分布、结构特征及减阻性能进行分析与优化,并进一步研究了仿体刺非光滑曲面的减阻性能与空间流场特征,对仿河鲀体刺结构的减阻性能有了进一步的认识,为仿河鲀表皮的减阻研究奠定基础。主要开展以下研究内容:首先,基于图像处理技术及曲线拟合方法建立体刺精确的轮廓模型并获得特征尺寸,模型拟合确定系数达0.9954。在此基础上,通过正交试验法建立仿体刺非光滑表面进行仿真。此外,分析了体刺结构对边界层流场的影响及非光滑表面的减阻机制。仿体刺非光滑表面有效降低了壁面剪切应力及雷诺应力,并出现了特殊的“爬坡涡”现象,从而减小了表面粘性摩擦阻力,实现减阻。揭示和验证了河鲀体刺的减阻性能。接着,为优化仿体刺非光滑表面的减阻能力,提出一种仿体刺内凹模型,通过仿真对体刺的两个特征(r、R)的减阻特性进行分析与对比。此外,在同等条件下建立仿体刺简化圆锥模型及仿体刺特征外凸模型,对比分析三种仿体刺模型的减阻效果与流场结构,从而确定最佳优化模型及尺寸。结果表明,三种模型的非光滑表面均能达到较好的减阻效果,几何形态对粘性摩擦阻力影响较小,对压差阻力影响较大。内凹模型减阻效果最优,减阻率可达13.83%。提供了具有较高减阻效果的表面结构。最后,基于平板试验结果,进一步研究仿体刺优化模型在曲面上的空间流场特性。合理设计旋成体模型,使用水洞平台结合PIV技术对光滑旋成体进行实验,验证了仿真方法的可行性。通过对非光滑旋成体的仿真试验,分析形状因素的减阻特性,并结合流场现象做出解释。结果表明,内凹模型在曲面上能够取得较好的减阻效果,在流速2.8 m/s情况下,减阻率达8.5%,影响减阻率的主次因素依次为R-H-L-r,为进一步研究仿河鲀体刺非光滑表面减阻的优化、耦合与应用奠定基础。