具有仿生非光滑表面旋成体的减阻性能数值模拟研究

摘要

文章基于工程仿生学研究的方法，经过抽象和简化，得到五种可加工于高速旋成体表面的非光滑单元体，即三角形沟槽、半圆形沟槽、矩形沟槽以及点状凸包和凹坑作为研究对象，其中，三角形、半圆形以及矩形同属于条纹型沟槽。作者利用SolidWords软件与Gambit软件相结建立了50种仿生非光滑旋成体计算域模型。对整体计算域采用结构化网格进行划分，并在必要区域采取网格加密措施。运用Fluent软件对旋成体表面的三维流场进行了数值模拟，得出了非光滑单元体形状、间距和深度三个因素对旋成体旋转工作时减阻性能的影响。
　　 本文通过数值模拟计算得到各非光滑旋成体壁面阻力系数，并与光滑旋成体壁面阻力系数比较得出各模型减阻率大小。通过三角形沟槽28种模型的数值模拟计算，得出具有减阻效果的优化单元体尺寸区间，进而以此为依据，确定其他4种单元体结构的尺寸区间。通过计算结果对比可知，5种单元体结构均出现阻力系数先减小后增大的趋势，得到了5种单元体结构减阻区间内的极小值。对于条纹型沟槽单元体，在沟槽深度H=0.6mm，沟槽间距S=1.6mm时，三角形沟槽阻力系数达到极小值，最大减阻率为12.02％;在沟槽深度H=0.4mm，沟槽间距S=1.4mm时，半圆形沟槽阻力系数达到极小值，最大减阻率为13.11％;在沟槽深度H=0.6mm，沟槽间距S=1.4mm时，矩形沟槽阻力系数达到极小值，最大减阻率为11.62％。而对于凸包和凹坑型单元体，则均在单元体间距S=2.0mm，单元体直径D=0.8mm时达到阻力系数极小值，减阻率分别为13.85％和14.58％。
　　 然后，本文通过对比表面非光滑旋成体与表面光滑旋成体各模型模拟结果发现，非光滑表面减阻作用的机理在于减小了旋成体表面剪切应力。最后，我们搭建试验平台，将旋成体样件置于装满润滑油的杯子中，通过测量杯子表面温度变化，间接反映应用三角形沟槽的旋成体样件减租效果。试验效果明显，减阻率达到11.11％。

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摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 减阻技术的研究现状

1．3 流场数值模拟在工程实际中的应用

1．4 本文主要研究内容

第二章 旋成体仿生非光滑表面的设计

2．1 仿生非光滑表面的生物体原型特征

2．1．1 水生类动物非光滑表面结构

2．1．2 飞行类动物非光滑表面结构

2．1．3 爬行类动物非光滑表面结构

2．2 典型仿生非光滑表面的实际应用

2．3 旋成体非光滑表面形态设计

2．4 本章小结

第三章 旋成体表面气流流动的数学模型与求解方法

3．1 引言

3．2 计算流体力学CFD概述

3．2．1 前处理软件Gambit简介

3．2．2 求解器Fluent简介

3．3 旋成体表面气流流动的数学模型

3．3．1 气体流动的基本控制方程

3．3．2 湍流的模拟数值方法

3．3．3 湍流模型的选取

3．3．4 近壁面区的处理

3．3．5 控制方程的离散化方法

3．4 本章小结

第四章 旋成体表面三维流场的数值模拟

4．1 物理模型的建立

4．1．1 旋成体模型的建立

4．1．2 仿生非光滑旋成体模型的建立

4．1．3 整体计算域模型的建立

4．2 计算区域的离散化

4．2．1 旋成体计算域网格类型选取

4．2．2 旋成体整体计算域网格的划分

4．3 计算边界条件和初始条件的设定

4．4 Fluent中的求解方法

4．5 本章小结

第五章 仿生非光滑表面对旋成体阻力特性的影响

5．1 模拟结果分析

5．1．1 光滑旋成体阻力系数

5．1．2 三角形非光滑旋成体阻力系数

5．1．3 半圆形非光滑旋成体阻力系数

5．1．4 矩形非光滑旋成体阻力系数

5．1．5 凸包型非光滑旋成体阻力系数

5．1．6 凹坑型非光滑旋成体阻力系数

5．2 减阻原因分析

5．2．1 仿生非光滑表面对旋成体表面剪应力的影响

5．3 非光滑旋成体减阻性能试验模拟及分析

5．3．1 试验原理

5．3．2 试验装置介绍

5．3．3 测量方法

5．3．4 测量数据分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

致谢