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仿生结构化表面阻力性能研究

王绍敏  
【摘要】:大自然中的许多生物历经亿万年优胜劣汰、自然选择和自身的不断进化,使其拥有具备防粘脱附、减阻等功能的非光滑表面结构。本文以自然界中具有这些功能的动物和植物非光滑表面形态为原型、结合自身经历,设计出一种凸包形式的结构化单元体,将其运用于以水为介质的光滑表面上,命名为仿生结构化表面。 估算结构化单元体的高度H,对模型尺寸和计算域进行了合理设计,以六面体结构化网格和六面体非结构化网格对计算域进行了空间离散,对近壁区域采用边界层网格加密。采用SST κ-ω湍流模型使RANS方程封闭,用一阶迎风格式和SIMPLE算法保证计算精度和稳定性。运用CFD计算软件Fluent对光滑平板模型进行了计算,计算结果与经验公式之间误差微小证明了思路的正确性。 运用CFD计算软件,用数值方法计算出五种单元体尺寸、两种排列方式、一种排列间距和五个Re数下的仿生结构化表面在液——固界面系统中的各阻力系数。印证其相对于光滑表面具备减小摩擦阻力的能力,对数值模拟结果进行了分析,得出结论为:1.仿生结构化表面能有效减小摩擦阻力。2.菱形交错排列的减阻效果比队列排列的效果好。3.菱形交错排列的五个模型中m2的减阻率最高,为4.35%,ml其次约为4.2%,因此单元体高度H一定时直径D小的减阻效果好;在D/H值一定的情况下,随着H的变小减阻效果逐渐减小;4.在队列排列下,单元体高度H对减阻效果的影响较大,而对直径高度比D/H不敏感;5.在不同Re数下十种模型的减阻趋势接近,均在Re数约为4.0×106时出现最大减阻率。5.各模型和光滑平板模型相比虽然减小了摩擦阻力,但是压差阻力增加较多,最终导致总阻力是增大的。 对模型表面剪应力、速度、湍流统计量及涡量等物理量进行了对比分析,得出仿生结构化表面减阻机理:1.结构化单元体之间形成的低速流带使高速流与壁面隔离开来,形成液——液接触进而减小速度梯度实现减阻;并且单元体下游存在回流,进一步降低了低速流的速度,使该处的壁面剪应力最低。2.增加壁面的边界层厚度,减小了速度梯度,并且结构化单元体对边界层进行了有效地控制或修正而减阻。3.减少了因为涡线被拉伸和拉细而生小尺度涡的数量,限制涡量增大,致使能量耗散减少而减阻。


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