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%。     

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.     

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.     

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。     

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.     

磨料射流及高分子减阻改善射流性能的实验研究

本文设计了磨料射流系统及喷嘴结构,实验研究了磨料射流切割与破碎物料的性能,确定了磨料喷嘴出口的最佳长度,对清水和磨料溶液进行了射流冲击性能比较试验;并进一步在磨料射流中加入高分子聚合物添加剂,实验证明,高分子减阻剂同样对磨料射流性能有改善.     

菱形口的射流在超音主流中的流场表面结构

在不同射流角(10°,27.5°,45°,90°)和射流总压下(0.1 MPa,0.46 MPa)对音速射流通过15.半角菱形口喷射到马赫5横穿主流的实验及圆形喷射器的对比实验,研究了具有菱形喷口的射流用于超音主流的相互作用流场.通过表面油流动可视化和表面压力敏感涂料的方法,得到了流场的表面结构.结果表明相互作用激波的状态(附着与离体)基于射流入射角和喷射压力,在高射流角和低喷射压力下相互作用激波保持附着,前沿相互作用激波角随射流角增加而增加.对离体激波情况,马蹄涡延展到上游,最高表面压力与马蹄涡相关,上游峰值压力随喷射压力的增加而增加.90.圆形喷射器与90.菱形喷射器有类似表面结构,但在给定的射流总压下其峰值压力较后者高,而且激波分离距离较大.     

基于低表面能效应的疏水表面减阻机理

针对疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,通过水洞实验研究了具有疏水表面航行器模型的阻力特性,获得了其减阻特性曲线,并得到了大于30%的实验室减阻效果.对疏水表面进行了表面能特性分析,认为表面组分中的-C-Si疏水基团引起了疏水表面的低表面能效应,是疏水表面具有减阻作用的直接原因.     

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.     

非光滑表面离心泵叶轮的流动减阻特性

为了分析非光滑表面对离心泵性能的影响,基于仿生凹坑表面的减阻特性,将凹坑型非光滑单元体排布于离心泵叶片的工作面,建立具有非光滑表面的叶轮离心泵的流动减阻特性分析模型,通过RNGk-ε湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,分析具有非光滑表面叶轮的流动减阻特性,研究不同流量下非光滑表面对叶片近壁面的速度分布、剪应力和离心泵内部流场的影响.结果表明:凹坑型非光滑表面能够降低因黏性阻力产生的叶轮扭矩,其扭矩的最大降幅为5.8%;非光滑表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,减小叶片的壁面剪应力;凹坑型非光滑表面能够降低离心泵叶轮内部流体的湍动程度,减小湍动产生的能量耗散,使叶轮内部的流体流动更加稳定并提高离心泵的效率.     

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%。     

一种二元复合结构聚合物减阻涂层的制备

为了通过表面形貌构型实现水下减阻,基于Benard对流理论制备了一种具有二元复合结构的聚合物涂层。采用高压空气喷涂工艺,将涂料喷涂在基体材料上形成液膜;液膜固化后,亚mm级和μm级二元复合的形貌结构在涂层表面自发形成。对液膜体系中温度变化及物料迁移分析的结果表明:溶剂蒸发导致了温度梯度和表面张力梯度的出现,由此引发的界面流和界面变形,是二元复合结构表面形貌形成的主要原因。在清华大学SKLT-1小型高速水洞中,对涂层的减阻性能进行了初步测试。测试结果表明,涂层具有显著的减阻效果。     

Fabrication of a micro-structured surface based on interfacial convection for drag reduction

Based on interfacial convection in the presence of solvent evaporation, a novel method for the fabrication of a micro-structured surface is proposed to facilitate drag reduction. A mixture was coated on a substrate through a specially developed spray-painting system. Micron scale pits formed spontaneously in the coated surface because of interfacial convection and deformation driven by the gradient of the interfacial tension. Experimental results indicated that particles in the mixture played a crucial role in pit formation, and with a suitable selection of particle size and dosage, the characteristic parameters of the pitting could be controlled. The drag reduction experiments were first performed in a water tunnel, and the results showed that the micro-structured surface had a remarkable drag reduction performance over a great range of flow speeds.     

仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述

介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物,阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律,针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述,提出了沟槽扩展类型,并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。分析表明:微结构类型对减阻效果有较大影响,减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点,仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率,在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。     

仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟

快速游动的鲨鱼,其皮肤表面布满沿流动方向的沟槽,这种沟槽能够减小鲨鱼游动过程中的阻力。通过仿生技术人们设计了一系列具有单一尺度的沟槽结构,如V型、L型、U型等(定义为原始沟槽),并获得了一定的减阻效果。然而通过仔细观察,发现鲨鱼皮肤表面的沟槽并非是单一尺度的。根据这一启发,通过在原始V型沟槽顶部两侧增加小尺度三角形突起,设计了一种二级沟槽表面。利用RNGk-ε湍流模型,对原始V型沟槽和二级沟槽表面进行了流场分析。讨论了在不同雷诺数的情况下,两种沟槽壁面对湍流边界层内速度分布、沟槽壁面切应力及减阻效果的影响。计算结果表明,在一定雷诺数范围,原始V型沟槽最佳减阻4.6%,二级沟槽结构最佳减阻8.07%,二级沟槽减阻效果明显优于原始V型沟槽。二级沟槽表面能够更有效地抑制边界层内湍流流动,减小了流体流动的黏性阻力,具有更好的减阻效果。     

Plate drag reduction with low surface energy coating in water tunnel

Conclusion The drag of the flat plate model showed that the low surface energy coating models were capable of reducing drag (18%–30%) in a certain range of speed. For a solid with a low surface energy that has low tensile strength, the effect of surface characteristics on the turbulent structure is measured and a significant difference between Al plate and plate covered coating of low surface energy is found. The tensile slrength of the bond between water and solid material is the predominant parameter.     

金刚石排列模式对钻进时效的影响

 研究金刚石宏观排列模式与金刚石钻头碎岩的时效关系, 不仅有助于设计有序排列金刚石钻头, 而且有利于更好地理解金刚石有序排列下岩石的破碎机理。本文应用ANSYS-LSDYNA 有限元软件对3 种不同金刚石排列模式(弧形排列、均匀排列和射线排列)的平底孕镶金刚石钻头进行孔底碎岩模拟研究, 考察金刚石的排列模式对其钻进时效的影响, 并对采用钎焊法试制的3 种有序排列金刚石钻头进行室内钻进试验。研究表明, 3 种钻头的钻进时效由高到低分别为弧形排列、均匀排列和射线排列钻头, 室内钻进试验结果与数值模拟结果吻合较好。     

声表面波器件金刚石薄膜基片的制备工艺

为制备高质量的声表面波器件,探索金刚石薄膜的沉积工艺,采用直流电弧等离子体喷射化学气相沉积技术和特殊的复合衬底技术,在单晶硅衬底上制备了大面积、高质量的金刚石薄膜,成功解决了单晶硅衬底在沉积金刚石薄膜过程中产生的变形问题.研究了甲烷浓度和沉积温度对金刚石薄膜质量的影响,优化了沉积工艺.结果表明,甲烷气体体积分数为1.8%时,晶粒最为细小,同时金刚石薄膜的表面粗糙度最小,表面最为光滑.衬底温度为1000℃时生长的金刚石薄膜的晶粒尺寸较小.     

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%。