仿生非光滑表面减阻特性数值研究

来源 :青岛科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:fanny_lizzy
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随着人类环保意识的逐渐提高,节约能源、低碳环保已经成为人类共同追求的目标,因此,在当今工业发展领域,减阻技术的研究也就成为了降低能耗的关键。在众多减阻技术中,仿生沟槽减阻技术以其成本低、容易实现,效果突出等优点,已经被广泛应用于航空航天、石油管道运输、运动竞技以及海洋运输等诸多领域。因此,仿生沟槽减阻技术具有非常高的研究意义及实际应用价值。论文中首先对国内外几种非常典型的减阻技术进行了综述,例如,沟槽表面减阻技术、凹坑凸包减阻等多种减阻技术进行了论述,并对仿生沟槽表面减阻技术进行了重点介绍。然后,简单介绍了边界层概念及近壁面湍流猝发相关理论知识。论文以鲨鱼表皮微结构与沙漠地貌为仿生对象,建立了V形、L形、U形及n形纵向沟槽表面模型,与V形、U形、半圆形横向沟槽表面模型,随后使用ICEM CFD软件分别进行网格划分和边界条件命名,最后通过Fluent软件设定计算域边界条件、数值计算和后处理工作。对于纵向和横向排布的两种沟槽表面模型,论文分别从表面剪切应力、流场速度、流场流动特征等角度出发,分析了沟槽壁面对阻力的影响特性。通过对比发现,两种排布方式的沟槽表面对于光滑表面都表现出一定的减阻效果,对于纵向排布的沟槽表面,(1)相同速度下(U0=6m/s),通过对比V形、L形、U形及n形四种微沟槽表面的剪切力云图及速度云图发现,L形沟槽减阻效果要优于其余三种结构,但考虑到结构的强度稳定性,选择V形沟槽表面作为研究对象;(2)在2~10m/s的速度变化范围内(当h=s=0.1mm时),V形纵向沟槽表面的减阻效果呈现先上升后下降的趋势,在U0=6m/s时减阻率达到最大值η=3.268%,随后,减阻率开始下降并最终出现增阻的现象。(3)通过模拟发现,纵向沟槽表面尖峰处存在的“二次涡”会使粘性底层厚度增大,降低表面剪切应力从而实现减阻。对于横向排布的沟槽表面,(1)在横向分布的沟槽中,出现明显的顺时针旋转且速度较低的涡流,这些涡流会将流场中主流与壁面相隔离并起到滚动轴承的作用,将受力方式由滑动摩擦便成为滚动动摩擦,从而实现减阻。(2)对于不同间隔的沟槽表面,表面所受到的压差阻力和粘性阻力也不相同。
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