仿生非光滑表面减阻特性数值研究
发布时间：2021-07-20 09:38
随着人类环保意识的逐渐提高,节约能源、低碳环保已经成为人类共同追求的目标,因此,在当今工业发展领域,减阻技术的研究也就成为了降低能耗的关键。在众多减阻技术中,仿生沟槽减阻技术以其成本低、容易实现,效果突出等优点,已经被广泛应用于航空航天、石油管道运输、运动竞技以及海洋运输等诸多领域。因此,仿生沟槽减阻技术具有非常高的研究意义及实际应用价值。论文中首先对国内外几种非常典型的减阻技术进行了综述,例如,沟槽表面减阻技术、凹坑凸包减阻等多种减阻技术进行了论述,并对仿生沟槽表面减阻技术进行了重点介绍。然后,简单介绍了边界层概念及近壁面湍流猝发相关理论知识。论文以鲨鱼表皮微结构与沙漠地貌为仿生对象,建立了V形、L形、U形及n形纵向沟槽表面模型,与V形、U形、半圆形横向沟槽表面模型,随后使用ICEM CFD软件分别进行网格划分和边界条件命名,最后通过Fluent软件设定计算域边界条件、数值计算和后处理工作。对于纵向和横向排布的两种沟槽表面模型,论文分别从表面剪切应力、流场速度、流场流动特征等角度出发,分析了沟槽壁面对阻力的影响特性。通过对比发现,两种排布方式的沟槽表面对于光滑表面都表现出一定的减阻效...
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非光滑表面减阻技术应用实例
青岛科技大学研究生学位论文3的亚临界雷诺数状态下壁面波纹会使流动状态不稳定。(a)库木塔格沙漠地形(b)印度拉贾斯坦邦沙漠(a)KumtagDesertTerrain(b)DesertofRajasthan,India图1-2沙漠地貌Figure.1-2Desertlandform西北工业大学航海学院的胡海豹[6]等通过对随行波表面的流场进行仿真模拟，对随行波表面减阻机理进行了论述，随行波表面连续的沟槽能够在壁面附近产生“二次流”，这种“二次流”使得自由来流与壁面之间没有直接接触，类似于“滚珠轴承”的作用，从而达到减阻目的。刘占一[7]等对不同间隔的脊状表面进行研究，并深入的分析了间隔尺寸对脊状表面减阻的影响。潘光[8]等将脊状表面减阻技术应用于水下回转体，并分析了脊状表面所受压差阻力与粘性阻力的变化规律。宋保维[9]等通过研究还发现，管道内壁得随行波有利于管道内壁面的减阻，并且，随行波的结构尺寸与漩涡的疏密程度有很大的关系。通过将脊状结构应用于G4-73型离心机翼型叶片上，吴正人[10]等经过仿真研究发现，脊状结构内部的二次涡能够有效减小粘性阻力，脊状表面的沟槽间距可以有效避免涡流的干扰从而减小壁面剪切应力。经计算，当脊状结构尺寸s=0.1mm时风机具有最佳减阻效果，得到最大减阻率为9.65%，此项研究对以后工程用风力机叶片的性能改进提供了很好的参考性。（2）纵向沟槽减阻技术自然界作为人类进步的源泉，人类已经在自然界中获得了无数的启发。通过模仿自然界中的生物结构和功能来完成人类自身的发明与创造需要，被称作仿生学。而仿生减阻就是通过模仿自然界中的某些动植物表面结构，进而设计出性能优越的减阻技术表面达到减阻的目的。所有案例中最为经典的当属对鲨鱼皮沟槽表面的模仿[11]（如图1-3），鲨鱼在广阔的海洋中可以快速地游动以便能够捕?
仿生非光滑表面减阻特性数值研究4图1-3鲨鱼表皮三维图像Figure.1-3Threedimensionalimageofsharkskinscale.通常我们会认为，在流体流动过程中表面越光滑的物体所受到的阻力就越小，但是这种这种观念却被科学论证所打破。在上个世纪70年代，美国国家航天局兰利研究中心对沟槽表面进行减阻试验研究，在国际上，这也是第一次提出在流体流域中细微的非光滑表面能够减小壁面结构的摩擦阻力。随着科学技术的不断进步，越来越多的科研工作者开始对沟槽表面减阻问题进行大量的研究。1984年，NASAlangley研究中心的Walsh[12]等对不同尺寸的沟槽进行了研究，同时提出沟槽宽度s和沟槽高度h的无量纲尺寸分别为s+和h+，计算公式如下所示：uss（1-1）uhh（1-2）式中，s代表沟槽的宽度，h代表沟槽深度，υ代表运动粘度系数，μτ是壁面切应力速度。通过设置不同工况，经实验研究发现，当沟槽表面尺寸满足h+≤25及s+≤30时，沟槽表面才能达到减阻效果。1988年Lazos[13]通过矩形组装窄沟槽壁面与V型沟槽表面进行对比如图1-4，1-5，通过研究发现，当矩形窄沟槽无量纲尺寸s+=12、h+=10，V型沟槽无量纲尺寸s+=15、h+=13时，矩形组装窄沟槽与V型沟槽表面都可以获得8%的减阻率。图1-4矩形组装模型Figure.1-4Rectangularassemblymodel
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下微结构功能表面设计及减阻特性[J]. 杨卓,常艳艳,李冬荔,王贺春. 船舶工程. 2020(01)
[2]壁面微沟槽对输油管道阻力特性影响的数值研究[J]. 李恩田,袁康,刘洋,樊刘通,吕晓方. 油气田地面工程. 2019(06)
[3]V型肋条结构对管道减阻效果的试验研究[J]. 李恩田,李天洲,陶亚琴,庞明军. 油气田地面工程. 2017(08)
[4]三种形状肋条减阻特性与机理研究[J]. 刘德俊,于洋,王国付,张明明,李雪松. 工程热物理学报. 2016(07)
[5]壁面法向振动流体特性的分子动力学[J]. 董海军,卢晓青,张浩鹏,单明明. 系统仿真学报. 2015(08)
[6]仿生非光滑油缸密封圈的减阻特性研究[J]. 许国玉,赵健英,赵刚,张梦. 液压与气动. 2015(01)
[7]仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟[J]. 程拼拼,蒋成刚,吴承伟. 中国科技论文. 2014(08)
[8]脊状表面翼型叶片减阻机理研究[J]. 吴正人,郝晓飞,戎瑞,王松岭. 系统仿真学报. 2014(06)
[9]超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究[J]. 黄桥高,潘光,宋保维,刘占一,胡海豹. 船舶力学. 2014(Z1)
[10]挖掘机仿生斗齿土壤切削试验与减阻机理研究[J]. 张琰,黄河,任露泉. 农业机械学报. 2013(01)
博士论文
[1]表面活性剂减阻流动的本构模型及大涡模拟研究[D]. 李敬法.中国石油大学（北京） 2017
[2]仿鲨鱼鳃呼吸过程的流场控制及减阻性能研究[D]. 李芳.哈尔滨工程大学 2016
[3]仿生射流表面减阻性能研究[D]. 谷云庆.哈尔滨工程大学 2013
[4]管流添加剂减阻的实验与机理研究[D]. 朱蒙生.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于水流场多阶弯曲振型壁面振动减阻研究[D]. 朱凌南.哈尔滨工业大学 2018
[2]仿生机器鱼非光滑表面减阻性能研究[D]. 张募群.山东大学 2017
[3]V形沟槽表面结构特征与减阻性能的关联性研究[D]. 攸连庆.大连理工大学 2016
[4]磷尾矿管道输送添加剂减阻试验研究[D]. 陈琴.贵州大学 2016
[5]边界层注入减阻剂湍流减阻特性实验研究[D]. 鲍佳麒.哈尔滨工业大学 2016
[6]船舶仿生防污沟槽表面减阻性能数值模拟分析[D]. 张璇.武汉理工大学 2014
[7]船舶微气泡减阻机理研究[D]. 李勇.哈尔滨工程大学 2011
[8]凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究[D]. 赵军.大连理工大学 2008
[9]沟槽面湍流边界层减阻的数值研究[D]. 杨海霞.哈尔滨工程大学 2008
[10]水下条纹沟槽表面减阻特性研究[D]. 王柯.西北工业大学 2006
本文编号：3292583
【文章来源】：青岛科技大学山东省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
非光滑表面减阻技术应用实例
青岛科技大学研究生学位论文3的亚临界雷诺数状态下壁面波纹会使流动状态不稳定。(a)库木塔格沙漠地形(b)印度拉贾斯坦邦沙漠(a)KumtagDesertTerrain(b)DesertofRajasthan,India图1-2沙漠地貌Figure.1-2Desertlandform西北工业大学航海学院的胡海豹[6]等通过对随行波表面的流场进行仿真模拟，对随行波表面减阻机理进行了论述，随行波表面连续的沟槽能够在壁面附近产生“二次流”，这种“二次流”使得自由来流与壁面之间没有直接接触，类似于“滚珠轴承”的作用，从而达到减阻目的。刘占一[7]等对不同间隔的脊状表面进行研究，并深入的分析了间隔尺寸对脊状表面减阻的影响。潘光[8]等将脊状表面减阻技术应用于水下回转体，并分析了脊状表面所受压差阻力与粘性阻力的变化规律。宋保维[9]等通过研究还发现，管道内壁得随行波有利于管道内壁面的减阻，并且，随行波的结构尺寸与漩涡的疏密程度有很大的关系。通过将脊状结构应用于G4-73型离心机翼型叶片上，吴正人[10]等经过仿真研究发现，脊状结构内部的二次涡能够有效减小粘性阻力，脊状表面的沟槽间距可以有效避免涡流的干扰从而减小壁面剪切应力。经计算，当脊状结构尺寸s=0.1mm时风机具有最佳减阻效果，得到最大减阻率为9.65%，此项研究对以后工程用风力机叶片的性能改进提供了很好的参考性。（2）纵向沟槽减阻技术自然界作为人类进步的源泉，人类已经在自然界中获得了无数的启发。通过模仿自然界中的生物结构和功能来完成人类自身的发明与创造需要，被称作仿生学。而仿生减阻就是通过模仿自然界中的某些动植物表面结构，进而设计出性能优越的减阻技术表面达到减阻的目的。所有案例中最为经典的当属对鲨鱼皮沟槽表面的模仿[11]（如图1-3），鲨鱼在广阔的海洋中可以快速地游动以便能够捕?
仿生非光滑表面减阻特性数值研究4图1-3鲨鱼表皮三维图像Figure.1-3Threedimensionalimageofsharkskinscale.通常我们会认为，在流体流动过程中表面越光滑的物体所受到的阻力就越小，但是这种这种观念却被科学论证所打破。在上个世纪70年代，美国国家航天局兰利研究中心对沟槽表面进行减阻试验研究，在国际上，这也是第一次提出在流体流域中细微的非光滑表面能够减小壁面结构的摩擦阻力。随着科学技术的不断进步，越来越多的科研工作者开始对沟槽表面减阻问题进行大量的研究。1984年，NASAlangley研究中心的Walsh[12]等对不同尺寸的沟槽进行了研究，同时提出沟槽宽度s和沟槽高度h的无量纲尺寸分别为s+和h+，计算公式如下所示：uss（1-1）uhh（1-2）式中，s代表沟槽的宽度，h代表沟槽深度，υ代表运动粘度系数，μτ是壁面切应力速度。通过设置不同工况，经实验研究发现，当沟槽表面尺寸满足h+≤25及s+≤30时，沟槽表面才能达到减阻效果。1988年Lazos[13]通过矩形组装窄沟槽壁面与V型沟槽表面进行对比如图1-4，1-5，通过研究发现，当矩形窄沟槽无量纲尺寸s+=12、h+=10，V型沟槽无量纲尺寸s+=15、h+=13时，矩形组装窄沟槽与V型沟槽表面都可以获得8%的减阻率。图1-4矩形组装模型Figure.1-4Rectangularassemblymodel
【参考文献】：
期刊论文
[1]水下微结构功能表面设计及减阻特性[J]. 杨卓,常艳艳,李冬荔,王贺春. 船舶工程. 2020(01)
[2]壁面微沟槽对输油管道阻力特性影响的数值研究[J]. 李恩田,袁康,刘洋,樊刘通,吕晓方. 油气田地面工程. 2019(06)
[3]V型肋条结构对管道减阻效果的试验研究[J]. 李恩田,李天洲,陶亚琴,庞明军. 油气田地面工程. 2017(08)
[4]三种形状肋条减阻特性与机理研究[J]. 刘德俊,于洋,王国付,张明明,李雪松. 工程热物理学报. 2016(07)
[5]壁面法向振动流体特性的分子动力学[J]. 董海军,卢晓青,张浩鹏,单明明. 系统仿真学报. 2015(08)
[6]仿生非光滑油缸密封圈的减阻特性研究[J]. 许国玉,赵健英,赵刚,张梦. 液压与气动. 2015(01)
[7]仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟[J]. 程拼拼,蒋成刚,吴承伟. 中国科技论文. 2014(08)
[8]脊状表面翼型叶片减阻机理研究[J]. 吴正人,郝晓飞,戎瑞,王松岭. 系统仿真学报. 2014(06)
[9]超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究[J]. 黄桥高,潘光,宋保维,刘占一,胡海豹. 船舶力学. 2014(Z1)
[10]挖掘机仿生斗齿土壤切削试验与减阻机理研究[J]. 张琰,黄河,任露泉. 农业机械学报. 2013(01)
博士论文
[1]表面活性剂减阻流动的本构模型及大涡模拟研究[D]. 李敬法.中国石油大学（北京） 2017
[2]仿鲨鱼鳃呼吸过程的流场控制及减阻性能研究[D]. 李芳.哈尔滨工程大学 2016
[3]仿生射流表面减阻性能研究[D]. 谷云庆.哈尔滨工程大学 2013
[4]管流添加剂减阻的实验与机理研究[D]. 朱蒙生.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]基于水流场多阶弯曲振型壁面振动减阻研究[D]. 朱凌南.哈尔滨工业大学 2018
[2]仿生机器鱼非光滑表面减阻性能研究[D]. 张募群.山东大学 2017
[3]V形沟槽表面结构特征与减阻性能的关联性研究[D]. 攸连庆.大连理工大学 2016
[4]磷尾矿管道输送添加剂减阻试验研究[D]. 陈琴.贵州大学 2016
[5]边界层注入减阻剂湍流减阻特性实验研究[D]. 鲍佳麒.哈尔滨工业大学 2016
[6]船舶仿生防污沟槽表面减阻性能数值模拟分析[D]. 张璇.武汉理工大学 2014
[7]船舶微气泡减阻机理研究[D]. 李勇.哈尔滨工程大学 2011
[8]凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究[D]. 赵军.大连理工大学 2008
[9]沟槽面湍流边界层减阻的数值研究[D]. 杨海霞.哈尔滨工程大学 2008
[10]水下条纹沟槽表面减阻特性研究[D]. 王柯.西北工业大学 2006
本文编号：3292583
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