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旋成体表面凹坑凸包结构形态的减阻性能研究

方言  
【摘要】:随着科技的发展,社会的进步,能源问题受到了越来越多的关注。减少物体表面受到的阻力,能够降低能源消耗,增加运行速度,消声减振,可以广泛应用于交通、军事、体育等许多方面。在高速运动体的大部分表面区域上,流动处于湍流状态,而在诸多湍流减阻方法中,仿生减阻是一种绿色环保、简单可行的方法。 本文从仿生学的角度出发,通过理论分析和数值模拟相结合的方法,以旋成体作为载体,使用数值模拟软件STAR-CCM+对旋成体流场进行模拟,得到研究凹坑结构和凸包结构作为仿生非光滑表面的减阻效果。 本文对5种尺寸的凹坑结构非光滑表面旋成体在来流速度为10~300m/s的流场,以及2种尺寸的凸包结构非光滑表面旋成体在来流速度为120m/s流场进行数值模拟,采用trimmed网格和边界层网格对模型进行离散,并选择SST k-ω湍流模型、二阶迎风格式以精确模拟流场。 通过计算,本文得到了以下结论: 1、随着来流速度的增大,压差阻力和摩擦阻力都会增大,而压差阻力增大的幅度远大于摩擦阻力,且压差阻力所占的比重也大幅增大。 2、模型A、B、D在本文研究的各来流速度下均能达到减阻的效果;C模型在来流速度为80~200m/s时,即雷诺数为3.4×105~8.4×105时,会使旋成体总阻力增加;E模型在来流速度为10m/s时,即雷诺数为4.2×104时,会使旋成体总阻力增加,雷诺数为1.7×102~1.3×106时则能够起到减阻的作用。 3、各凹坑模型均在来流速度为300m/s时(本文研究的来流速度范围为10m/s~300m/s),即雷诺数为1.3×106时,达到最佳减阻效果。其中模型B的总减阻率可达11.14%。 4、雷诺数为3.4×105~8.4×105范围时,各模型的减阻效果相似。 5、仿生非光滑表面减阻的根本途径是控制边界层。凹坑内部会产生低速旋转气流,可以产生涡垫效应和推动效应,减小摩擦阻力;凸包背风侧的粘性底层发生了改变,使得原本粘性起主要作用的流动变为以本来就很小的雷诺应力为主的流动,使得摩擦阻力减小 6、凸包结构对压差阻力的影响应该分成两部分讨论:一是凸包对旋成体底部逆压区的影响;二是凸包会在其自身的背风侧产生逆压区,从而增大压差阻力。


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