侧喷射流的仿生鱼表面减阻优化研究

为了研究射流孔结构参数对水下射流减阻的影响,以金枪鱼为仿生对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃在仿生鱼模型侧面添加射流孔建立了射流模型.采用数值模拟方法,分析主流场速度及射流孔的形状、高度、位置、高宽比等单因素对仿生鱼表面减阻的影响规律.通过Design-expert软件对射流孔的结构参数进行响应面多目标参数优化,进一步分析了不同射流孔的结构参数在相互作用时对仿生鱼表面减阻的影响,最终确定了在距离鱼首5 mm处添加形状为后三角形,高度为6 mm,高宽比为4的射流孔时能够达到比较理想的减阻效果,此时模型的总阻力为2.510 21 N,相应的减阻率为6.49%.本文通过深入分析射流孔结构参数的影响,为水下射流减阻技术提供了重要的理论基础和实验指导,为仿生技术在水下流体力学领域的应用拓展了新的可能性.     

射流表面减阻测试系统建模及减阻特性实验

为了研究射流表面的减阻特性,提出了同轴旋转测试方法,建立了同轴旋转测试与平面测试下模型壁面所受摩擦阻力间关系的数学模型,构建了射流表面减阻测试系统.对射流表面回转体模型进行实验,研究射流孔径、射流角度、旋转速度与射流速度耦合情况下射流表面的减阻特性,并将实验结果与数值模拟结果进行对比分析.实验结果表明:射流表面在一定条件下具有较好的减阻效果;各因素对实验指标的影响按大小次序依次为射流孔径(A)、射流角度(B)、射流速度(D),最佳方案为A2B2D3,减阻率为8.565%.通过模型实验值与数值计算值比较分析,验证了实验结果的可信性及所建模型的准确性.     

射流表面多因素耦合减阻特性及其对边界层的控制行为

为了研究多因素耦合对射流表面减阻特性的影响,运用可拓学基本原理建立主流场速度、射流速度、射流孔高排布、射流孔底排布等特征耦元及其耦合方式的可拓模型,利用标准k-ε湍流模型对射流表面多因素耦合条件下的减阻特性进行数值模拟,分析射流表面黏性阻力和减阻率减小的原因,以及射流表面多因素耦合对射流孔附近壁面流域边界层的控制行为.结果表明:射流表面多因素耦合的减阻效果较好,最大减阻率为27.69%;多因素耦合条件下的射流表面改变了壁面剪应力分布,影响了边界层的结构,同时,在射流孔下游形成的漩涡改变了边界层的厚度,导致壁面黏性阻力降低,从而使得射流表面具有较好的减阻效果.     

仿生射流表面流场控制减阻数值模拟

利用SST k-ω湍流模型对仿生矩形射流表面的减阻特性进行数值模拟,解释了射流表面减小摩擦阻力的原因及对近壁区边界层的控制行为.结果表明,射流孔面积相等时,射流孔与射流表面沿展向长度的比值越大,减阻效果越好.当其它因素不变时,随着射流速度的增大减阻率逐渐增大,随着射流流量的增大减阻率逐渐增大,最大减阻率为35.97%.射流表面对边界层的控制行为表现为主流场近壁区的剪切流动遇到射流的阻抗,在射流孔的背流面形成逆流区,逆流在边界层底层产生的剪应力与主流场方向相反;同时在射流孔下游产生反向旋转涡对并在近壁面诱导出二次涡,相当于在高速流体与壁面之间产生润滑带,使边界层黏性底层厚度增大,速度梯度减小,摩擦阻力减小.     

车身非光滑表面位置对气动性能的影响

以SAE(美国机动车工程师学会)模型为研究对象,采用计算流体力学数值模拟方法研究非光滑表面布置位置对车身气动性能的影响.通过对钝体模型的不同位置(侧部、底部、顶部、尾部)布置凹坑型非光滑表面,计算钝体模型的空气阻力系数,比较光滑表面与非光滑表面速度矢量、压力以及湍动能,分析了非光滑表面气动减阻机理和减阻效果差异的原因,根据分析结果得到在模型的侧部、顶部、尾部和底部布置非光滑表面均能起到减阻作用,尾部非光滑表面的减阻效果最明显,减阻率达到5.73%.     

基于等离子体的GTS模型气动减阻研究

为探究等离子体对类厢式货车的气动减阻效果,以GTS模型为研究对象,采用数值仿真的方法,分别研究了当来流风速为20 m/s时,3个位置处等离子体布置角度、激励电压对GTS模型的气动减阻效果并分析其减阻机理,然后进行组合工况的分析.研究结果表明,等离子体是通过诱导近壁面气体定向流动使流动分离点后移、推迟流动的分离,从而减小GTS模型前后压差阻力、降低整车气动阻力系数,等离子体布置的位置在流动分离点后方并且靠近流动分离点.单个位置激励时,等离子体布置在GTS尾部两侧时气动减阻效果最好,最大减阻率为5.09%;组合工况时最大减阻率可达6.01%.当来流风速一定时,等离子体存在最佳布置角度与激励电压.     

射流表面射流孔菱形排布减阻特性实验分析

针对射流表面流场特性,以回转体的U-PVC管为实验样件载体,在其表面上加工出按菱形排布的射流孔结构.在射流表面减阻测试实验平台上,对光滑表面和不同射流孔排布方式的射流表面所受摩擦扭矩进行模型实验,分析射流孔排布、射流速度、旋转速度等因素对射流表面减阻率的影响,研究射流孔不同排布方式下射流表面减阻特性.结果表明:不同排布方式的实验样件射流表面具有较好减阻效果,射流孔菱形排布的两个对角线均能影响射流表面减阻特性.     

仿生射流表面优化设计与减阻机理分析

针对不同射流表面参数减阻问题,建立仿生射流表面模型,利用SST k-ω湍流模型对其进行数值模拟,所得结果与实验数据吻合良好。运用正交试验设计法对影响射流表面摩擦阻力的因素进行分析,得到各因素对减阻效果和节能效果的影响规律:形状因子对减阻率和节能率的影响最大,流速比其次,流速比与减阻率和节能率呈抛物线关系,形状因子与减阻率呈线性关系,且随着形状因子增大减阻率增大,最大减阻率为15.06%,最大节能率为13.57%。由于射流流体的阻碍作用,在射流孔背流面形成逆流区,逆流区近壁面形成的剪应力方向与来流方向相反,局部摩擦因数为负值,并且由于射流流体对主流场的推力作用,使得边界层黏性底层厚度增大,速度梯度减小,摩擦阻力减小。     

D型体主被动结合流动控制研究

以简化准三维模型D型钝体为研究对象,通过数值仿真手段,利用零质量合成射流器理论进行了D型体主动流动控制和主被动结合的流体控制研究发现,在尾部分离点进行射流控制时,高频射流有助于钝体减阻,减阻效果可以达到1.78%。主被动结合的锯齿和射流加强了尾迹三维流动结构,破坏了准三维模型的展向流动结构,使得减阻效果较好。采用主被动结合控制的射流为低频和高频时减阻效果为20.86%和21.20%。     

仿生射流表面减阻特性实验研究

基于鱼类鳃裂部位仿生射流表面理论分析,对仿生射流表面回转体进行射流实验,研究其减阻特性。运用扭矩信号耦合器,分别对光滑表面实验模型和射流表面实验模型在不同旋转速度下进行摩擦扭矩测试,得到射流减阻特性曲线。研究结果表明:仿生射流表面具有较好的减阻效果,减阻率与实验模型转速、射流速度、射流孔径有着密切关系;射流最大减阻率达到10.8%。     

基于定常射流的有车轮方背Ahmed模型主动气动减阻

近年来,主动流动控制技术已用于汽车气动减阻研究,但较多针对无车轮的简化汽车模型开展且减阻量和净节率均有待提高。本研究针对原始及带有静止、旋转车轮的方背Ahmed汽车模型,采用数值模拟方法,在模型背部施加定常射流进行主动气动减阻规律的研究。首先,分析无射流工况下车轮对方背Ahmed汽车模型气动特性的影响;其次,重点探究有车轮工况下,射流槽布置形式、射流角度、动量系数等因素对气动阻力的影响规律。获得背部射流的最佳工况为：采用连续且距边缘较近的射流槽,射流角度45°,动量系数3%,减阻量可达9.5%,对应净节率为12.7 W。     

射流表面主流场速度与射流速度耦合减阻特性

针对射流表面流场特性,运用可拓学基本原理,建立主流场速度与射流速度耦元、耦合方式的可拓模型.利用RNG k-ε湍流模型对射流表面主流场速度与射流速度耦合情况下减阻特性进行数值模拟,研究射流表面减小黏性阻力和压差阻力的原因及对射流孔附近壁面流域边界层控制行为.研究结果表明:主流场速度越小与射流速度越大耦合情况下射流表面减阻效果最好,节能效果明显;主流场速度与射流速度耦合对边界层的控制行为表现在射流表面模型使射流孔下游流域黏性底层厚度减小,边界层厚度降低,导致壁面所受黏性阻力减小;同时形成的反向漩涡在壁面形成的反向流对仿生射流表面产生逆流向的推动作用,对压差阻力产生抑制效应.     

射流表面射流角度与射流速度耦合减阻特性

针对射流的仿生非光滑表面的减阻问题,运用可拓学基本原理建立了射流角度与射流速度耦元、耦合的可拓模型.利用SSTk-w湍流模型在对射流表面射流角度与射流速度耦合情况下的减阻特性进行了数值模拟,并以此研究了射流表面压差阻力和黏性阻力减小的原因和射流表面边界层的控制行为.结果表明:在射流的角度、速度耦合的情况下,射流表面的减阻性能较好;当耦合的射流角度为30°、射流速度为1.2 m/s时,减阻率最大,为28.10％;角度、速度耦合下的射流表面有助于减小模型壁面的速度梯度,增加壁面黏性底层的厚度,继而降低了模型壁面的压差阻力和黏性阻力,并且表现出良好的减阻性能;耦合下的压差阻力在一定程度上可以作为一种附加的动力,对射流表面流体起到推动的作用.     

基于正交试验法的厢式货车气动减阻优化

为了优化某厢式货车的气动阻力系数,设计了驾驶室前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器、底部涡流发生器等3种气动减阻装置。研究了3种单一气动减阻装置主要相关参数对气动阻力的影响,分别从货车外流场的速度轨迹、压力分布和湍动能分布等3方面详细分析了各单一气动减阻装置的减阻效果。在此基础上采用正交试验法对3种气动减阻装置的主要参数进行优化,获得最优减阻货车模型。研究表明:驾驶室前部突出部分的长度对货车整车气动阻力系数的影响比倾角更大;最优货车头部形状的倾角和长度分别为135°和300 mm,该模型的气动阻力系数为0.721 4,相对于货车原始模型的减阻率为8.93%;涡流发生器的高度和位置对货车的减阻效果均有较大的影响;涡流发生器可以增加货车尾部分离区流场的能量,使得尾涡区减小,气动压差阻力减小;3种气动减阻装置对货车气动阻力系数的影响大小依次为:底部涡流发生器、货车前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器,其最优厢式货车模型的空气阻力系数为0.683 3,其复合减阻装置的最佳减阻率为13.8%。     

近壁湍流和微颗粒的两相作用及减阻效应

为研究颗粒和近壁湍流的相互作用和流动阻力问题,采用点-力双向耦合模型并结合Lagrange粒子追踪法,对负载颗粒的槽道湍流进行直接数值模拟(direct numerical simulation,DNS).同时,从含颗粒作用外力项的NavierStokes方程出发,推导颗粒加载湍流的阻力系数表达式.考察较低容积比下粒径小于Kolomogrov尺度的颗粒对湍流结构的调制以及湍流减阻现象,讨论颗粒尺度和数量等加载参数对阻力系数的影响,发现在本研究范围内的细微颗粒对湍流的调制以抑制作用为主,同时产生明显的减阻效应.     

带减阻杆的高超声速弹丸气动特性研究

为了研究带减阻杆的高超声速弹丸气动特性,基于高精度高分辨率的KFVS气体动力学格式、k-ω SST两方程湍流模型,采用有限体积法求解三维Navier-Stokes方程,并对数值方法的有效性和可靠性进行了验证.在此基础上,对带减阻杆的高超声速弹丸流场进行了数值模拟.研究结果表明:基于高精度高分辨率的KFVS气体动力学格式发展的数值方法可信度较高,能用于弹丸气动特性数值计算;在减阻杆长度一定条件下,随着马赫数的增大,减阻率将提高;在一定的减阻杆长度、马赫数下,随着攻角的增大,全弹总阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数将增加;减阻杆基本不会影响弹丸的升力和俯仰力矩.研究结果为高超声速弹丸工程设计提供参考.     

低雷诺数下附属棱柱的圆柱绕流减阻

目前圆柱绕流减阻方案的探索一直是绕流研究的热点,有关棱柱作为扰流柱对圆柱减阻效率影响的研究却较少.基于不可压缩黏性流动Navier-Stokes控制方程,利用OpenFOAM对附属棱柱下圆柱绕流问题进行数值模拟.在圆柱上游或下游设置双扰流棱柱,研究了雷诺数为200时不同角度、间距比的棱柱对其升力、阻力系数和涡脱频率的影响.结果表明:附属棱柱能有效改善圆柱表面的压力分布,降低压差阻力;上游设置棱柱时对圆柱的减阻效率可以达到37.21％,较下游设置棱柱的减阻效率更高;下游设置棱柱时对圆柱升力的抑制效率高于上游棱柱,可以达到99.86％;上下游同时设置棱柱时对圆柱升力、阻力的抑制效果能得到进一步提高,较单圆柱平均阻力系数可以降低54.63％,升力系数可以降低99.94％.     

涡流发生器对重型货车气动减阻特性的影响

为了解涡流发生器对重型厢式货车气动减阻特性的影响，以某国产重型厢式货车为研究对象，基于计算流体动力学的数值模拟，研究涡流发生器的形状、布置位置、高度以及间隙比对厢式货车的减阻效果，并分别从速度流线结构、湍动能分布和压力分布等方面探讨其减阻原因。结果表明：涡流发生器的形状、布置位置、高度以及间隙比对重型厢式货车气动阻力的影响较大。其中叉形涡流发生器位于货厢后端时的气动阻力系数最小，其值为0.699 6，相对于货车原始模型的减阻率为11.7%，因此叉形涡流发生器是最佳的涡流发生器造型。加装涡流发生器减小了货车尾部涡流区的面积和强度，使尾部气流延迟分离，进而减小了货车前后压差阻力。     

多孔孔板流量计流场仿真

为准确计算多孔孔板流量计流场,采用Standard k-ω模型、SST(剪切应力传输)k-ω模型、Standard k-ω+SST k-ω(Standard k-ω模型的计算结果作为SST k-ω模型仿真计算的初始值)组合模式分别对100,mm口径、节流比为0.6的3种结构多孔孔板流量计流场进行数值计算,并结合射流理论以及实流实验结果对数值计算结果进行分析.结果表明:对于中心节流孔与环形排列孔之间距离较小的多孔孔板,SST k-ω模型收敛性较好;反之,SST k-ω模型计算结果收敛困难,Standard k-ω+SST k-ω组合模式在保证计算精度的前提下改善了收敛效果.相对于Standard k-ω模型,SST k-ω模型更适合计算多孔孔板流量计的流场,计算结果符合射流理论,能反映出不同多孔孔板流出系数线性度的差异,与实流实验结果的最大误差为4.2%.     

亚音速飞行器壁面沟槽减阻研究与应用

固/气界面间强烈的剪切作用是亚音速飞行器壁面摩擦阻力产生的主要原因。该文基于k-ε湍流模型及动态网格划分技术,研究沟槽内微漩涡流动特性、沟槽结构对表面受力影响及沟槽内局部压力场及压差阻力的产生原因;以壁面阻力系数为计算目标,对沟槽形貌构型优化,获取亚音速飞行时具有最佳减阻效果的壁面沟槽形貌构型参数。在中国航天某研究院FD06风洞进行试验,试验结果表明:亚音速飞行器壁面沟槽结构可显著降低壁面阻力系数。Ma=0.4时,壁面摩擦阻力由1.7N降低为0.908N,减阻率为45.57%;Ma=0.8时,减阻率为13.5%;Ma=0.9时,减阻率为18.4%。