沿流向微结构沟槽流场直接数值模拟
发布时间：2022-01-09 04:56
采用高阶格式对覆有V型对称沟槽表面的槽道湍流流动进行了直接数值模拟,数值方法采用有限差分法。为精确求解沟槽壁面的湍流流动,对流项的离散采用7阶WENO（Weighted Essentially Non-Oscillatory）格式;时间推进采用分数步时间推进与低耗散、低色散Runge-Kutta方法（LDDRK方法）结合的格式;黏性项的离散采用6阶中心格式。模拟的雷诺数为5 000（基于槽道高度的1/2）,计算的沟槽宽度范围为13～44,沟槽斜壁与水平面夹角为60°。数值模拟结果表明,与平板相比,沿流向沟槽表面的阻力最高降低了9%。数据分析发现出现减阻效果时,沟槽减少了近壁面处顺流向涡的数目,并且减阻机理与微沟槽阻碍大尺度流向涡与沟槽壁面的直接碰撞,使沟槽表面湍流脉动得到削弱有关。
【文章来源】：航空学报. 2020,41(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１本文程序与文献［２２］计算结果对比Ｆｉｇ．１ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎＲｅｆ．［２２］
脉动———ｕｒｍｓ、ｖｒｍｓ和ｗｒｍｓ对比如图１所示，对比结果表明二者吻合较好，证明该程序在求解该类问题时具有较好的精度和可靠性。同时，为体现高精度格式的优势，图１还对比了高阶格式和２阶中心格式的速度型和均方根脉动速度曲线，可以发现：对于速度型，低阶格式在过渡区和对数区精度略低于高阶格式；对于脉动速度，低阶格式所得的脉动结果要低于高阶格式和文献［２２］中的结果。３微结构沟槽建模计算区域的槽道流动外形如图２所示，该模型中，下壁面为无滑移的Ｖ型沟槽平面，上壁面为无滑移平板，其中，沟槽平面和平板壁面所在位置分别为ｙ＝－δ和ｙ＝δ，这样，对比上下壁面的阻力即可得到表面沟槽的减阻效果［１７－１８，２８］。在不同的计算情况下，计算区域会因为沟槽的宽度以及数目存在一定差异，但是所有情况中，计算区域最小的尺寸为３２πδ×２δ×１３πδ（沿ｘ、ｙ、ｚ方向），这个尺寸大于Ｊｉｍéｎｅｚ和Ｍｏｉｎ在文献［２９］中提出的槽道流动模拟所需的最小尺寸，并且该尺寸也大于文献［１７］计算采用的尺寸，因而该尺图１本文程序与文献［２２］计算结果对比Ｆｉｇ．１ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎＲｅｆ．［２２］图２微尺度沟槽槽道计算区域Ｆｉｇ．２Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎｏｆｃｈａｎｎｅｌｍｏｕｎｔｅｄｗｉｔｈｒｉｂｌｅｔｓ寸对于该问题的模拟满足要求。计算区
．０）情况下某时刻流场速度ｕ分量云图和瞬时速度矢量场，如图１１和图１２所示。从图１１（ｂ）可以看出，当沟槽产生减阻效果时，大尺度流向涡位于沟槽之上且非常靠近沟槽顶部，同时与沟槽顶部频繁碰撞，可以形象地描述为流向涡“浮”于沟槽之上，并且由于沟槽的约束作用，流向涡的展向运动也受到了抑制，因此展向的湍流脉动也会得到削弱。从图１２（ｂ）可以看出，当沟槽产生增阻效果时，流向涡大部分位于沟槽内部，并且与沟槽底部图１１ｓ＋＝２１．９情况下沟槽表面流动的瞬时流场Ｆｉｇ．１１Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｖｅｒｒｉｂｌｅｔｓｉｎｃａｓｅｓ＋＝２１．９
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of drag reducing riblet surface on coherent structure in turbulent boundary layer[J]. Guangyao CUI,Chong PAN,Di WU,Qingqing YE,Jinjun WANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(11)
[2]Effects of surface shapes on properties of turbulent/non-turbulent interface in turbulent boundary layers[J]. WU Di,WANG JinJun,CUI GuangYao,PAN Chong. Science China（Technological Sciences）. 2020(02)
[3]大型客机气动设计综述[J]. 陈迎春,张美红,张淼,毛俊,毛昆,王祁旻. 航空学报. 2019(01)
[4]沟槽方向对湍流边界层流动结构影响的实验研究[J]. 崔光耀,潘翀,高琪,李鹿辉,王晋军. 力学学报. 2017(06)
[5]沟槽面湍流减阻数值评估方法[J]. 周健,欧平,刘沛清,郭昊. 航空学报. 2017(04)
[6]沟槽表面边界层湍动能分布规律[J]. 胡海豹,宋保维,刘占一,黄明明,黄桥高. 航空学报. 2009(10)
[7]沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究[J]. 王晋军,陈光. 航空学报. 2001(05)
本文编号：3578003
【文章来源】：航空学报. 2020,41(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１本文程序与文献［２２］计算结果对比Ｆｉｇ．１ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎＲｅｆ．［２２］
脉动———ｕｒｍｓ、ｖｒｍｓ和ｗｒｍｓ对比如图１所示，对比结果表明二者吻合较好，证明该程序在求解该类问题时具有较好的精度和可靠性。同时，为体现高精度格式的优势，图１还对比了高阶格式和２阶中心格式的速度型和均方根脉动速度曲线，可以发现：对于速度型，低阶格式在过渡区和对数区精度略低于高阶格式；对于脉动速度，低阶格式所得的脉动结果要低于高阶格式和文献［２２］中的结果。３微结构沟槽建模计算区域的槽道流动外形如图２所示，该模型中，下壁面为无滑移的Ｖ型沟槽平面，上壁面为无滑移平板，其中，沟槽平面和平板壁面所在位置分别为ｙ＝－δ和ｙ＝δ，这样，对比上下壁面的阻力即可得到表面沟槽的减阻效果［１７－１８，２８］。在不同的计算情况下，计算区域会因为沟槽的宽度以及数目存在一定差异，但是所有情况中，计算区域最小的尺寸为３２πδ×２δ×１３πδ（沿ｘ、ｙ、ｚ方向），这个尺寸大于Ｊｉｍéｎｅｚ和Ｍｏｉｎ在文献［２９］中提出的槽道流动模拟所需的最小尺寸，并且该尺寸也大于文献［１７］计算采用的尺寸，因而该尺图１本文程序与文献［２２］计算结果对比Ｆｉｇ．１ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｐｒｏｐｏｓｅｄｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｒｅｓｕｌｔｓｉｎＲｅｆ．［２２］图２微尺度沟槽槽道计算区域Ｆｉｇ．２Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎｏｆｃｈａｎｎｅｌｍｏｕｎｔｅｄｗｉｔｈｒｉｂｌｅｔｓ寸对于该问题的模拟满足要求。计算区
．０）情况下某时刻流场速度ｕ分量云图和瞬时速度矢量场，如图１１和图１２所示。从图１１（ｂ）可以看出，当沟槽产生减阻效果时，大尺度流向涡位于沟槽之上且非常靠近沟槽顶部，同时与沟槽顶部频繁碰撞，可以形象地描述为流向涡“浮”于沟槽之上，并且由于沟槽的约束作用，流向涡的展向运动也受到了抑制，因此展向的湍流脉动也会得到削弱。从图１２（ｂ）可以看出，当沟槽产生增阻效果时，流向涡大部分位于沟槽内部，并且与沟槽底部图１１ｓ＋＝２１．９情况下沟槽表面流动的瞬时流场Ｆｉｇ．１１Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｆｌｏｗｆｉｅｌｄｏｖｅｒｒｉｂｌｅｔｓｉｎｃａｓｅｓ＋＝２１．９
【参考文献】：
期刊论文
[1]Effect of drag reducing riblet surface on coherent structure in turbulent boundary layer[J]. Guangyao CUI,Chong PAN,Di WU,Qingqing YE,Jinjun WANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(11)
[2]Effects of surface shapes on properties of turbulent/non-turbulent interface in turbulent boundary layers[J]. WU Di,WANG JinJun,CUI GuangYao,PAN Chong. Science China（Technological Sciences）. 2020(02)
[3]大型客机气动设计综述[J]. 陈迎春,张美红,张淼,毛俊,毛昆,王祁旻. 航空学报. 2019(01)
[4]沟槽方向对湍流边界层流动结构影响的实验研究[J]. 崔光耀,潘翀,高琪,李鹿辉,王晋军. 力学学报. 2017(06)
[5]沟槽面湍流减阻数值评估方法[J]. 周健,欧平,刘沛清,郭昊. 航空学报. 2017(04)
[6]沟槽表面边界层湍动能分布规律[J]. 胡海豹,宋保维,刘占一,黄明明,黄桥高. 航空学报. 2009(10)
[7]沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究[J]. 王晋军,陈光. 航空学报. 2001(05)
本文编号：3578003
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