仿生壁面减阻机理及表面微结构设计方法研究

发布时间：2019-11-03 15:58

【摘要】：本文从水下航行体对高效减阻技术的迫切需求出发,借助先进的数值模拟技术,并辅以原理性试验验证,建立近壁湍流边界层精细流动结构特征参数与摩擦阻力的相关关系,揭示仿生壁面减摩阻技术的作用机理和规律,为新型仿生减阻技术的研发提供技术支撑和理论基础。论文首先对仿生减阻技术国内外发展现状进行了评述,对目前存在的主要问题进行了分析和讨论。其次建立了基于MEMS的剪应力水下测量技术,完成了MEMS剪应力传感器阵列水下标定及平板基准检验试验研究,并应用于SUBOFF潜艇模型剪应力测量水池试验,为开展仿生壁面湍流精细流动结构数值计算提供了有效的试验验证手段。开发了一种适用于仿生微结构表面精细流动结构模拟的LES数值计算方法,提出了能分辨湍流边界层流动中发卡涡空间尺度和猝发时间尺度的LES网格尺度选择准则,实现了高雷诺数下仿生微结构表面流动的全域计算;并通过MEMS剪应力测试结果以及国外相关试验和直接数值模拟结果验证,为开展仿生微结构减阻机理研究及优化设计提供了有效的技术手段。基于近代湍流理论和典型仿生壁面减摩阻机理的研究成果,分析提取了仿生壁面湍流边界层相干结构特征参数以及其中对壁面摩阻起决定作用的显著性参数,探讨了壁面摩阻与平均流及相干结构特征参数的相互关系,为仿生微结构表面减阻机理的量化研究和设计应用提供理论基础。基于上述理论分析和开发的LES方法,计算并分析了沟槽和随行波两种典型减阻表面的精细流动结构和减阻机理,获得了近壁流动特别是相干结构的特征参数变化规律,定量地揭示了这两种仿生表面的不同减阻机理,为仿生减阻表面微结构的设计提供技术指导。最后提出了耦合优化沟槽和随行波减摩阻机理的复合型减摩阻表面微结构的设计方法,设计一种仿生鱼鳞形复合减阻表面,分析评估其减阻效果,并验证了所提出的减摩阻思路、仿生复合表面减摩阻的设计思想,以及初步建立的近壁湍流结构特征参数与壁面摩阻的关系,相关成果为新型仿生减摩阻技术的研发奠定了基础。
【图文】：

图 1-1 海豚皮肤结构图[AD-A250933]另一个热点是游动快速灵活并且体型庞大的过研究发现鲨鱼表皮呈现肋条状和鳞片状的十分优良[32]。此后，研究人员对之开展了大acker[33]等德国科学家观测发现，鲨鱼身体各看呈较明显的沟槽形状结构，这种结构可以的摩擦阻力显著降低，因此鲨鱼得以快速游微小的肋条状鳞片结构，可以减小游动时所认为，肋条状鳞片结构所形成的纵向沟槽，限边界层的结构，从而降低了摩擦阻力。试技术的发展，尤其是光学以及高精度传感到了一个崭新的阶段，目前主要有以下几类

仿生壁面减阻机理及表面微结构设计方法研究 ：基于数字 PIV 技术、环境电子扫描显微镜技术等多种动物行为参数的精确测定。此种方法也是目：此种方法适用于室外研究，优点是实验针对性强较低，，测定过程容易受到水体的干扰。方法既可以用于野外研究，也可用于室内研究。总研究中最常用方法。这种试验方法优点在于试验重可作为现场试验的基础。
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O357.5

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本文编号：2555161