具有超疏水表面钝体绕流的数值研究

发布时间：2021-03-25 12:10

　　超疏水表面广泛存在于自然界很多种动植物中,是基于仿生技术快速发展的一种重要表面,研究表明超疏水表面在层流与湍流中都具有减阻作用。在生活、工程与自然界中,存在许多钝体绕流的现象,研究超疏水表面对钝体绕流的减阻作用和对流动特性的影响,对节省能源和控制流动具有重要意义。本文采用数值模拟的方法,探索了超疏水表面对钝体绕流的影响。首先,本文从实验、理论以及数值研究的角度详述了超疏水表面的国内外研究现状,同时也介绍了四种目标流动的基本特征和研究现状。其次,基于超疏水表面的微观特征与整体宏观的滑移特征,本文应用了两种方法数值模拟了层流下具有超疏水表面的圆柱绕流,并发现这两种方法在流动总体特征上具有一定的相似性与相关性,在掌握相关特征的前提下可进行一定的转换。结果显示,超疏水表面的滑移长度、气液比和形貌周期值越大,超疏水表面的减阻性能越强。同时,圆柱所受到的时均阻力系数和涡脱落频率也随着表面滑移长度单调变化。随后研究了超疏水表面对旋转作用下圆柱绕流的影响,获得了超疏水表面对涡脱落现象、涡脱落频率、流场特性以及重要流动参数如升、阻力系数等的影响规律。结果表明最大升力和涡脱落频率都随着超疏水表面气液比的增... 

【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

高精度电子显微镜下荷叶表现的蜡质粗糙结构

1 绪论.1 超疏水表面流动的研究现状.超疏水表面超疏水性表面存在于自然界中很多种的动植物当中[1, 2]。1997 年，Beinhuis[3]通过电子显微镜，观察到荷叶表面的蜡质微观结构,如图 1.1 所示结构在加热熔化后，荷叶会相失去超疏水性，说明这些微观结构形成的粗疏水特性的形成具有重要作用。2004 年，Ou 等[4]发现疏水表面的疏水性上的微米或纳米结构而加强。研究者提出了很多种制造超疏水表面的工[2, 5, 6]，其表面上的粗糙微观结构一般分为两大类：规则和不规则，不规图 1.1 中所示，而规则表面微观结构的超疏水表面如图 1.2 所示。

力场、涡分离角和尾涡结构。2018 年， Huang 等通过计算发现，在低雷诺数和较小的有效滑移长度下，流体经过圆柱产生的阻力主要是粘性阻力；但当这两个量逐步增大，减阻主要来源于压差阻力的减小。1.2 钝体绕流在生活、工程与自然界中，存在许多钝体绕流的现象，如风吹过桥梁与高楼、水流过桥墩、气流经过高速行驶的汽车、海洋平台受洋流的影响、地面生物受气流的影响以及游泳、跑步与各种球类体育运动等。因而，钝体绕流是流体力学中的一个基本科学问题。同时，由于钝体绕流的尾流区有交替脱落的涡，即经典的卡门涡街出现，因此会给钝体带来垂直于流动方向的较大的波动压力，这可能会导致结构振动、声噪音或共振，进而给工程带来破坏，比如，悬索桥在风力的作用下产生共振并继而断裂[49]。因此研究钝体绕流对减少工程上的破坏具有实际的意义，同时研究钝体绕流的减阻机理或方法还有利于节能减排，创造更好的自然环境[48]。

【参考文献】：
期刊论文
[1]超疏水材料表面液—气界面的稳定性及演化规律[J]. 吕鹏宇,薛亚辉,段慧玲.  力学进展. 2016(00)
[2]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)
[3]凹腔支板尾缘涡脱落频率试验研究[J]. 吴迪,金捷,季鹤鸣,徐胜金.  航空发动机. 2011(04)
[4]具有微纳结构超疏水表面的槽道减阻特性研究[J]. 卢思,姚朝晖,郝鹏飞,傅承诵.  中国科学:物理学 力学 天文学. 2010(07)
[5]超疏水表面的减阻研究[J]. 郝秀清,王莉,丁玉成,叶广辉,何仲赟,卢秉恒.  润滑与密封. 2009(09)



本文编号：3099657