柔性仿羽毛结构抑制边界层转捩的初步探索

发布时间：2021-08-12 06:27

　　通过观察,发现存在展向流动时鸟类柔性的羽毛侧缘会卷起,这对展向流动起到了额外的阻碍作用,即流向和展向的阻力特征是不同的。为了研究羽毛表面的这种各向异性阻力特征对边界层转捩流动的影响,本文从宏观角度出发建立了一种唯象力学模型来刻画表面的各向异性。然后,运用直接数值模拟的方法研究了该模型对平板边界层转捩的影响。自由来流马赫数为0.2,基于入口处边界层排移厚度的雷诺数为732。研究结果表明,在模型抑制展向流动的作用下,平板边界层转捩明显推迟,不同的参数下至少可以推迟一倍以上距离。即使在流动进入湍流状态后,壁面的摩擦阻力系数也大大降低,维持在与层流摩擦系数相当的水平。转捩位置的推迟和湍流区摩擦阻力的降低都有利于降低平板的阻力。如果考虑卷起的羽毛侧缘对流向流动带来额外阻力,这会使得转捩提前,减阻的效果降低。此研究结果一方面揭示了鸟类飞行的部分奥秘,另一方面也为边界层被动控制措施提供了一种新的思路。 

【文章来源】：空气动力学学报. 2020,38(06)北大核心CSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

展向脉动在模型作用下的衰减特征

图3所示为无量纲的边界层速度分布。在入口x=0处，速度分布是典型的层流剖面，而在x=300处，速度分布已经演化为典型的湍流剖面。这说明使用的数值方法和计算设置可以反映层流到湍流转捩的过程。壁面摩擦系数Cf的定义为：

平板边界层从层流到湍流的演化过程中，存在一些典型的大尺度相干结构。利用Q准则，图5呈现了转捩过程中不同阶段的涡结构，用距离壁面的高度进行了着色。为了更好地显示效果，展向通过复制延伸了一倍。可以看到转捩开始后先是形成Λ涡，然后是Λ涡演化成发卡涡，进而生成环状涡，并最终发展成环状涡链结构。对典型涡系结构的清晰捕捉也体现了数值模拟的可靠性。图5 转捩过程中不同阶段的涡结构

【参考文献】：
期刊论文
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博士论文
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本文编号：3337777