三角形沟槽旋成体表面减阻性能的数值模拟

基于仿生微小非光滑表面具有减黏降阻特性的基本思想,在高速转动旋成体表面布置不同深度和间距的三角形沟槽.采用RNGκ-ε模型对其三维流场进行模拟,分别计算表面光滑旋成体与表面具有三角形沟槽的旋成体壁面阻力系数,对比两者壁面剪应力大小可知,将三角形沟槽布置于高速旋转的旋成体表面,可降低旋成体在高速转动时壁面的空气阻力,从而降低动力消耗,并且沟槽深度和间距均对旋成体壁面阻力产生不同影响.与光滑旋成体相比,三角形沟槽旋成体最大减阻率为12.060%.     

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.     

离心泵仿生表面减阻降噪特性研究

为了研究离心泵仿生叶片的减阻降噪特性,获得叶片壁面剪应力与减阻率、效率和噪声变化情况的关系,提取出了鲨鱼皮肤的表面特征,建立了具有Ⅴ型槽表面叶片的离心泵模型.通过剪切应力传输(SST) k-ω湍流模型对离心泵内部流场进行数值模拟,基于Proudman方法和声类比方程对泵内部声场进行了预测计算.研究结果表明:仿生表面能够有效控制叶片近壁面边界层的流体流动,在出口处的壁面剪应力梯度变小,工作面叶片的平均剪应力最大降幅达29%;仿生表面可以降低的最大减阻率为3.1%,离心泵的水力效率最大提高2.06%;仿生叶片沟槽表面能够改变叶轮流道内的涡结构,降低离心泵叶轮内部的湍动程度,减小流道内的声功率;与光滑叶片相比,仿生叶片的总声压级的降幅最大为2.68%;随着流量的增大,壁面平均剪应力的变化率、效率、总声压级及减阻率等都随之增大.     

表面活性剂与纵向微沟槽协同减阻实验研究

根据表面活性剂溶液发生减阻时可放大近壁湍流涡尺度的特性,以及纵向微沟槽通过约束近壁流向涡运动实现减阻的机理,指出了两者在减阻机理上存在互补的可能性,并对两者的协同减阻性能进行实验研究验证,分析两者的协同强化减阻机理。通过研究0.22 mmol/L表面活性剂CTAC/NaSal溶液在两种不同尺寸的纵向壁面微沟槽通道内的变温度协同减阻性能,发现20℃时溶液能在纵向微沟槽的作用下强化减阻性能,最大减阻率从光滑通道的66%分别增大到G1沟槽的71%和G2沟槽的74%;减阻溶液的临界雷诺数及临界温度在G1沟槽通道内比在G2通道内小,但在G2沟槽通道内则与光滑通道的基本相同;微沟槽的减阻尺寸在减阻溶液中得到了放大;表面活性剂与纵向微沟槽的协同强化减阻机理在于表面活性剂放大了近壁湍流涡尺度,使微沟槽能约束住更多的近壁流向涡,同时也使微沟槽能在更高雷诺数下仍有减阻强化性能。     

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。     

沟槽壁湍流减阻机理的氢气泡流动显示及数字图像分析

应用氢气泡流动显示和数字图像处理技术,对微型沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.对开口循环水槽中沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带流动结构及其猝发现象进行了氢气泡流动显示,应用"帧间比较"定量分析方法,获得了水平平面内流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布,并对沟槽壁面和平板壁面近壁面区域湍流相干结构的氢气泡流动显示图像进行了比较分析,根据流向脉动速度、展向脉动速度的平面分布分析了沟槽壁面及光滑平板壁面湍流边界层近壁区高低速条带结构的展向尺度特征,从壁湍流相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.     

槽道湍流壁面展向周期振动减阻机理研究

为抑制壁湍流减少表面摩擦阻力,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟,对槽道湍流壁面展向周期振动抑制壁湍流、实现减阻的内在机理进行了研究,建立了槽道湍流数据库。通过改变振幅大小和振动周期,壁面展向周期振动可以使壁面摩擦阻力明显减少。随着平均减阻率的增加,壁面阻力随时间的变化也更加稳定并且周期逐渐变大。将1个典型的阻力变化周期分成3个特征时段进行讨论。结果表明,不同时段近壁湍流结构呈现出不同的变化规律,两种减阻机理交替出现:一是振动引起的涡与条带的倾斜,这导致负展向涡的产生;二是振动引起的涡与条带间的滑移,这导致条带的加宽以及流向涡的减弱。     

多孔壁面沟槽的犁切-热处理成形机理

多孔壁面沟槽具有良好的强化传热能力,但该结构制造困难,为此,文中提出了犁切-热处理技术.该技术首先利用犁切工艺,在铜管内表面加工出沟槽;然后在氢还原氛围下进行热处理,使沟槽表面产生多孔层.文中还采用扫描电子显微镜观察了该结构的表面形貌;结合塑性成形理论和热处理空位跃迁理论,分析了该结构的成形机理.结果表明:采用犁切-热处理技术可成功地制造出多孔壁面沟槽;在热处理温度的推动和氢病的综合作用下,犁切时沟槽壁面表层金属产生的微裂纹和晶格缺陷是产生多孔层的主要原因.文中通过金相分析证实了以上结论.     

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。     

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.     

三角形沟槽面圆管湍流减阻的大涡模拟数值研究

湍流减阻对水上船舶、潜艇、飞机以及长输油管道等运输工具的节能减排具有重要意义。利用大涡模拟(LES)对光滑圆管和三角形沟槽面圆管的流场进行数值研究,验证了LES在非光滑表面圆管湍流减阻研究的可行性,为其他形式的沟槽面圆管的减阻研究提供依据。同时对光滑及沟槽面圆管流场进行分析,并探讨了三角形沟槽的减阻机理。     

二维平板横置小肋湍流减阻的数值分析及参数优化

采用RANS和LES相结合的数值计算方法,系统分析了给定条件下二维平板横置小肋对湍流摩擦阻力的影响。并开展了小肋外形及布置参数的优化研究。使用RANS方法计算平板阻力,而LES方法则着重分析流场变化过程,以分析减阻机理。通过对不同外形和参数小肋的CFD计算结果的比较分析,得到了该计算条件下减阻效果最佳的小肋参数,与光滑平板对比,最大减阻近4%。通过对流场的分析可以看到,横置小肋之间产生涡柱,改变了流体与平板的作用方式及近壁速度剖面,进而可以降低摩擦阻力。研究为进一步分析横置小肋在更宽速度和雷诺数范围内的有效性及开展全面的参数优化研究提供了基础。     

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%。     

等离子体气动激励减小翼型跨音速阻力的数值模拟

等离子体气动激励能够显著提升飞行器／动力装置的气动性能。本文进行了等离子体气动激励减小RAE2822翼型跨音速阻力的数值模拟。将电弧放电等离子体激励简化为对流场的热能注入,建立了基于唯象学的数值计算模型,以实验测试结果作为输入条件,将热能以源项的形式加入N-S方程求解,研究了不同来流速度、激励强度以及激励位置下等离子体气动激励对翼型阻力特性的影响。仿真结果表明:等离子体气动激励可以有效减小RAE2822翼型跨音速阻力,来流速度与等离子体气动激励减阻效果有较大关系,当[WTBX]Ma=0.81时,减阻达到13.58％;激励强度对减阻效果影响较小,当W[WTBZ]=3 000 K时,减阻达到11.77％;增大激励位置,减阻效果增大,但幅度变小,当[WTBX]D[WTBZ]=20 mm时,减阻达到13.17％。     

基于尾迹积分法的机翼阻力计算研究

为了计算亚音速和跨音速三维机翼阻力,文中利用尾迹积分法对空气产生的阻力进行了数值计算研究。结果表明,尾迹积分法相对于物体表面积分,可以把亚音速时有粘流中机翼的总阻力分解为黏性阻力和诱导阻力,跨音速时有粘流中总阻力分解为黏性阻力、诱导阻力和激波阻力,是一种可行的阻力预测方法。     

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。     

展向电磁力对舵面的湍流减阻控制

将电磁激活板包覆于舵面体表面并置于流动的弱电介质溶液中(如海水),通过产生的电磁力对舵面体表面的流体边界层结构进行控制.基于近壁湍流的拟序结构理论,分析了在湍流状态下展向电磁力的方向、强度、脉动方式与作用频率对湍流减阻的控制作用效果.研究结果发现,一定强度和间歇频率的展向电磁力能够有效地减小湍流状态下的舵面体所受到的流体阻力,表明湍流边界层上的展向电磁力能够影响控制舵面的湍流流体动力学特性.     

基于方格网状等离子体激励器的翼型湍流减阻实验

等离子体流动控制技术具有结构简单、响应迅速等特点，已成为流动控制领域的研究热点。为减小飞机的湍流摩擦阻力， 提出了一种基于方格网状等离子体激励器的新型湍流减阻方法，研究了其放电特性与诱导流动特性，并在风洞中获得该激励器减小NACA0012翼型湍流摩擦阻力的参数规律。结果表明，静止条件下，方格网状激励诱导的射流速度与占空比成正比，而随脉冲频率的增大先增加后减小，诱导射流的最大瞬时速度为1.75 m/s。来流速度为15 m/s时，激励能使翼型湍流摩擦阻力减小3.5%。方格网状激励诱导产生的射流使近壁面流体整体抬升，破坏近壁面涡结构，进而抑制湍流生成，实现摩擦减阻。     

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。     

飞机机身小型天线的阻力特性研究

采用求解RANS方程的方法研究了飞机机身表面不同位置安装相对厚度为20%、不同剖面形状的小型天线的阻力特性。通过流场显示表明随着距离机头距离增加,天线逐渐淹没在附面层中;随着迎角变化背风面的附面层厚度增大。自由流中翼型剖面天线的阻力最小,椭圆剖面、倒角菱形剖面天线阻力分别增加了22%和107%,主要原因压差阻力显著提高。受到机身的干扰影响后天线相对单独部件的阻力增加在0~50%之间;包括3种影响因素:第一是前缘吸力的降低,第二是后缘负压的增加,第三是局部速压的变化。前缘吸力降低的程度正比于当地附面层厚度,附面层厚度越大前缘负压峰值越低,阻力也越大。倒角菱形剖面受机身干扰后缘负压增加,但流线性较好的翼型及椭圆剖面后缘压力变化不大。机身外形变化导致的局部速压增大或缩小可影响天线的摩阻和压力分布。采用单独天线的阻力并考虑干扰影响的方法能够获得较为准确的阻力特性,对附面层内天线的光顺整流对于降低飞机阻力是有效的。