表面微结构减阻的机理研究与优化设计

发布时间：2017-04-23 22:02

  本文关键词：表面微结构减阻的机理研究与优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：减阻是大型飞机发展的基础科学技术问题之一。从空气动力飞行伊始，阻力就是飞行器设计中的主要问题。降低阻力可以提高飞机效率，同时改善飞机的经济性。根据目前大型客机降低阻力，提高效率的实际需要，本文研究了一种使用被动流动控制减阻方法，通过在固壁表面布置微结构来改善流场从而实现减阻。 本文采用RANS和LES相结合的数值计算方法，比较系统地分析了在平板及高低速翼型表面横置小肋及沟槽对降低湍流摩擦阻力的影响。文中使用RANS方法计算平板和翼型阻力，而LES方法则着重分析流场变化过程，以研究减阻机理。在此基础上，对微结构的参数进行了较为细致和系统的分析研究，最终使用响应面等优化方法，开展了横置微结构外形及布置参数的优化研究。另外将小肋参数进行无量纲化研究。最后考虑了将微结构分布的形式进行改变，在平板表面离散化布置以增加其工程实用性。 通过对平板表面微结构计算结果的分析与优化，得到了具有最佳减阻效果的小肋参数，，使用最优参数的小肋与沟槽，与平板对比，分别得到了最大3.986%和4.675%的减阻效果。无量纲化结果显示，当无量纲高度h~+≤5时有减阻效果，并且h~+=2~3时阻力最小。离散化布置微结构的结果表明，离散化布置后，仍然能得到一定的减阻，但是效率有所降低。在高速和低速翼型表面布置微结构的计算结果显示，微结构的加入改变了翼型表面的流场和压力分布，使得粘性阻力略有降低但是压差阻力上升，最终使得总阻力增加。 通过对流场的分析，得到了微结构减阻的机理，即横置的微结构能够产生涡柱，其功能类似机械轴承中的滚柱，因而称其为微型空气滚柱(Micro Air Rollers, MARS)，涡柱改变了流体与平板的作用方式及近壁速度剖面，降低了摩擦阻力，进而使总阻力降低。本项研究为进一步开展微结构湍流减阻及参数优化研究提供了基础。
【关键词】：湍流减阻 表面微结构 CFD 参数优化
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：V212.1;V22;TB306
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 减阻研究的背景及意义10-11
• 1.2 民机阻力来源11-12
• 1.3 常见减阻方法12-16
• 1.3.1 减阻气动布局12-13
• 1.3.2 基于流动控制的减阻技术13-16
• 1.4 课题研究思路16-17
• 1.5 本文主要工作17-18
• 第二章 相关物理问题及研究方法18-36
• 2.1 边界层流动18-22
• 2.1.1 概述18
• 2.1.2 边界层流动状态18-19
• 2.1.3 湍流边界层19-22
• 2.2 表面粗糙度相关问题22-24
• 2.2.1 表面粗糙度22-23
• 2.2.2 粗糙度容许值23-24
• 2.3 微纳尺度流动24-26
• 2.3.1 概述24
• 2.3.2 微纳尺度流动流场参数24-25
• 2.3.3 流动区域的划分及基本方程25-26
• 2.4 流体力学的研究方法26-27
• 2.5 实验研究方法27-28
• 2.6 数值方法28-35
• 2.6.1 CFD基本原理28
• 2.6.2 CFD方法28-31
• 2.6.3 CFD方法的选择31
• 2.6.4 湍流模型31-34
• 2.6.5 CFD的求解过程34-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第三章 肋条/沟槽减阻研究综述36-46
• 3.1 概述36
• 3.2 纵向布置肋条/沟槽减阻36-40
• 3.2.1 平板表面纵向肋条/沟槽减阻36-40
• 3.2.2 翼型/机翼表面纵向肋条/沟槽减阻40
• 3.3 横向布置肋条/沟槽减阻40-42
• 3.4 机理分析42-44
• 3.4.1 纵向肋条/沟槽减阻机理42-44
• 3.4.2 横向肋条/沟槽减阻机理44
• 3.5 应用研究44-45
• 3.6 本章小结45-46
• 第四章 平板表面微结构46-96
• 4.1 微结构平板的建模与网格划分46-48
• 4.1.1 网格生成方法46-48
• 4.2 算例验证48-50
• 4.2.1 平板CFD计算验证48-49
• 4.2.2 微结构平板算例验证49-50
• 4.3 小肋平板的计算结果及分析50-54
• 4.3.1 阻力计算结果50-51
• 4.3.2 流场分析51-54
• 4.4 减阻机理分析54-58
• 4.5 小肋参数研究58-75
• 4.5.1 单小肋参数59-64
• 4.5.2 多个小肋参数研究与优化64-71
• 4.5.3 小肋参数无量纲化71-75
• 4.6 沟槽平板的计算结果75-83
• 4.6.1 沟槽平板阻力计算75-76
• 4.6.2 流场分析76-83
• 4.7 沟槽参数研究83-91
• 4.7.1 单沟槽参数研究83-87
• 4.7.2 多沟槽参数研究87-91
• 4.8 微结构离散化布置91-95
• 4.8.1 微结构选取91-94
• 4.8.2 离散化布置微结构的计算结果94-95
• 4.9 本章小结95-96
• 第五章 翼型表面微结构96-120
• 5.1 数值方法验证96-104
• 5.1.1 低速翼型验证96-99
• 5.1.2 高速翼型验证99-104
• 5.2 低速翼型表面微结构104-112
• 5.2.1 低速基准翼型及微结构翼型生成104-105
• 5.2.2 低速翼型表面微结构计算结果105-107
• 5.2.3 流场分析107-110
• 5.2.4 低速翼型表面微结构参数研究110
• 5.2.5 无量纲参数验证110-111
• 5.2.6 低速翼型表面不同微结构应用比较111-112
• 5.3 高速翼型表面微结构112-119
• 5.3.1 高速基准翼型及微结构翼型生成112-113
• 5.3.2 微结构对高速翼型受力及流场影响113-117
• 5.3.3 高速翼型表面微结构参数研究117-118
• 5.3.4 高速翼型表面不同微结构应用比较118-119
• 5.4 本章小结119-120
• 第六章 总结与展望120-124
• 6.1 总结120-123
• 6.2 展望123-124
• 参考文献124-130
• 致谢130-131
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文131-133

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