平面板材表面辊压成形微沟槽的减阻研究

发布时间：2017-11-23 09:02

本文关键词：平面板材表面辊压成形微沟槽的减阻研究

【摘要】：研究发现微结构表面具有多方面的功能，如光学性、摩擦性、润滑性、耐磨损性等。微沟槽表面作为微结构的一种形式，在汽车、船舶、航空航天、管道运输方面具有重要的应用价值，基于微沟槽表面优越的减阻特性，本文对不同形状微沟槽表面的减阻能力和减阻机理进行了分析。对于微沟槽表面减阻性能的研究，传统方法主要采取风洞实验和水洞实验等，实验条件受各方面影响较大，费用高、周期长。为了克服传统方法的不足，本文采用数值模拟方法对辊压成形出的微沟槽表面进行减阻性能研究，对比分析不同形状微沟槽表面流体的流动特性和减阻效果，为设计出减阻效果更加优越的微沟槽形状提供依据。本文主要研究内容如下： 1.验证数值模拟的准确性和可靠性，取α=60o、s=0.5mm、h=0.433mm三角形微表面在10m/s来流速度下进行数值计算，所得光滑平板表面的摩擦阻力系数与理论计算值非常接近，证明本文的数值模拟具有较高的精度和准确性。 2.分析微沟槽对近壁区流动状态的影响，以α=60o、s=0.5mm、h=0.433mm三角形微沟槽的计算结果为依据，，分析了微沟槽表面的壁面剪切力、压差阻力、速度场、湍流强度、湍动能、湍流耗散率。微沟槽近壁区的速度梯度及壁面剪切力小于光滑表面；光滑表面压差阻力为0，微沟槽迎风面和背风面存在压力差，压差阻力大于光滑表面；综合作用的效果，总阻力在一定速度下小于光滑表面；微沟槽表面的湍动能、湍流强度、湍流耗散率均小于光滑表面，流动特性稳定。来流速度越大微沟槽壁面剪切力、压差阻力、湍动能、湍流强度、湍流耗散率也越大。 3.探究微沟槽表面的减阻机理：微沟槽表面的存在改变了边界层的流动状态，谷底形成了稳定的低速漩涡，降低了湍流能量的传输，抑制了湍流的促发，并使气流与壁面的滑动摩擦转变成滚动摩擦，起到了类似“滚动轴承”的作用，减小了剪切应力。微沟槽表面的粘性底层厚度大于光滑表面粘性底层厚度，稳定流动区域相对较大，且微沟槽仅对边界层的流体影响较大，对外层流场没有影响。 4.分析微沟槽形状对减阻效果的影响。在10m/s来流速度下对16种不同形状的微沟槽表面进行数值模拟研究。结果显示，不同形状的微沟槽表面均具有减阻效果，微沟槽内均产生了明显的漩涡，粘性底层基本相同且均大于光滑表面粘性底层厚度，稳定流动区域相对较大，低速条带的数目较多。三角形和梯形微沟槽剪切力较大，方形和半圆形微沟槽压差阻力较大，由于微沟槽的减阻能力是剪切力与压差阻力的综合作用，结果表现为三角形微沟槽和梯形微沟槽减阻效果较好，波浪形和半圆形微沟槽减阻效果较差。近壁区波浪形和半圆形微沟槽表面的湍动能和湍流强度较大，谷底和尖顶之间的能量和动量传输较激烈，这是与其他形状微沟槽相比减阻效果较差的原因。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG306

【参考文献】

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