（机械电子工程专业论文）凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 本文基于工程仿生学研究的基本方法，将动物表面信息抽象为凹坑形仿生非光滑形 态，建立了仿生非光滑表面模型，计算了多个速度下该非光滑表面的减阻效果并对其减 阻机理进行了研究。 传统的减阻研究主要采用风洞实验方法，但是它耗资大、实验条件控制困难，为了 缩短开发周期，降低成本，本文用数值计算的方法，对凹坑形非光滑表面流场进行细微 的研究，探讨其减阻机理，研究凹坑单元尺寸和来流速度对减阻效果的影响，为设计出 更加有效的非光滑形态提供理论依据。 本文共设计了4 种不同尺寸的凹坑非光滑形态，对不同来流速度下的多种流场进行 了模拟。首先确定凹坑形单元的结构和尺寸，采用四面体的非结构网格对模型进行离散 化处理，满足了各个表面的网格划分要求。在数学模型上，选用标准k s 湍流模型使 n s 方程封闭；为了精确地计算壁面附近的流场，近壁面区采用低雷诺数下的的标准 k 一占模型；运用二阶迎风格式保证了运算的精度。通过比较凹坑形非光滑表面和光滑表 面湍流边界层的流动特性，对凹坑形表面的减阻机理进行研究。 通过计算，本文得到了如下定性及定量的结论：( 1 ) 与光滑表面相比，凹坑非光滑 表面上的压差阻力略微增大，但是摩擦阻力得到了很大程度的降低，故总阻力降低；( 2 ) 凹坑高径比为0 5 的情况下，凹坑直径为o 8 m r n 的非光滑表面比直径为1 o r n m 的表面 具有更好的减阻效果，最高减阻率为7 2 0 ；( 3 ) 凹坑直径为0 8 m m 时，凹坑高径比对 减阻效果影响不大，各个模型的最大减阻率都达到了7 以上；( 4 ) 对非光滑表面边晃层 内的流场进行了研究，发现凹坑单元能改变边界层的厚度以及边界层内的一些物理量的 特性，达到减小阻力的作用；( 5 ) 绘制出凹坑内部的流线图和速度矢量图，发现来流与 光滑表面之间是固气两相界面，而非光滑表面上的凹坑单元使得来流气体与凹坑内部 的低速气体形成气气接触，这样能改变其边界层内的流场，大大降低摩擦阻力，达到 减阻的效果。 关键词：仿生；非光滑表面；减阻；数值模拟；边界层 凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究 s t u d yo fd r a g r e d u c t i o nc a p a b i l i t yo ft h ed i m p l eb i o n i c n o n s m o o t hs u r f a c e a b s t r a c t b a s e do nt h ee s s e n t i a lb i o n i cr e s e a r c hm e t h o da n dc o m b i n e dw i t he n g i n e e r i n g ，as i m p l e n o n - s m o o t hs h a p e ，d i m p l e ，i so b t a i n e db ya b s t r a c t i n gn o n - s m o o t hs l l l f a c ei n f o r m a t i o no ft h e a n i m a ls u r f a c e s n em o d e li sc r e a t e dt oc a l c u l a t et h ed r a gr e d u c t i o ne f f e c to ft h ed i m p l e n o n s m o o 也s u r f a c ei ns e v e r a lv e l o c i t i e sa n dt oa n a l y z et h ec a u s eo fd r a gr e d u c t i o n b e c a u s eo ft h eh i g he x p e n s ea n dt h ed i 伍c u l t yt od oe x p e r i m e n t sa n di no r d e rt os h o r t e n t h et i m eo fr e s e a r c h ，t h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ni su s e di n s t e a do ft h ew i n dt u n n e l e x p e r i m e n tw a y st os i m u l a t et h ef l o wo fs o m es u r f a c e s ，e x p l o r et h et h e o r yo fd r a gr e d u c t i o n a n dt h ei n f l u e n c eo fd i m p l es i z eo nd r a gr e d u c t i o ne f f e c t w h i c hw o u l dp r o v i d ea c a d e m i c s u p p o r t t od e s i g nm o r ee f f e c t i v ed i m p l es h a p e s f o u rd i m p l eb i o n i cn o n s m o o t hs u r f a c e sa l ed e s i g n e da n ds i m u l a t e da n de a c ho ft h ef o u r m o d e l sa r es i m u l a t e di ns e v e nd i f f e r e n tv e l o c i t i e s a f t e rf i g u r i n go u tt h em o d e la n dt h es i z eo f d i m p l e s ，u s et e t r a h e d r o nu n s t r u c t u r e dg r i dt od i s p o s et h em o d e lt of i l lt h em e s hr e q u i r e s a s f o rt h em a t h e m a t i c a lm o d e l 、s t a n d a r dk st u r b u l e n tm o d e la n dl o wr ek sm o d e la l e a p p l i e d i no r d e rt og e tt h ee x a c tr e s u l t ，t h es e c o n do r d e ru p w i n df o r m a ti su s e dt od i s c r e t et h e m a t h e m a t i c a lm o d e l b a s e do nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o n ，t h ef l o wo fb o u n d a r y1 a y e ro nb o t l l n o n s m o o t hs u r f a c ea n ds m o o t hs u r f a c ea r ep r e s e n t e dt od i s c u s st h ed r a gr e d u c t i o nq u a l i t yo f d i m p l es h a p es t r u c t u r ea n dt os t u d yt h et h e o r yo fd r a gr e d u c t i o nd e e p l y t h r o u g hal o to fc a l c u l a t i o n ，t h eq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ec o n c l u s i o n sa l ea sf o l l o w s ：( 1 ) c o m p a r e dw i t hs m o o t hs u r f a c e ，t h ed i m p l en o n - s m o o t hs u r f a c eh a sal i t t l eh i g h e rp r e s s u r e r e s i s t a n c eb u t h a sam u c hl o w e rv i s c o u sf r i c t i o nr e s i s t a n c e ，w h i c hl e a d st oar e d u c t i o no nt o t a l r e s i s t a n c e ( 2 ) 讹e nt h ed i a m e t e ro ft h ed i m p l ei st w i c el a r g e ra st h eh e i g h t ，t h en o n - s m o o t h s u r f a c e sw h i c hh a v ed i m p l es t r u c t u r e sw i t had i a m e t e ro f0 8 m mh a v eam u c hb e t t e r p e r f o r m a n c eo nd r a gr e d u c t i o nt h a nt h o s ew h i c hh a v ed i m p l es t r u c t u r e sw i t had i a m e t e ro f 1 0 m m ( 3 ) u n d e rt h ep r e m i s e st h a tt h ed i a m e t e ro fa l lt h ed i m p l e si s0 8 m m ，i tp r o v e st h a t t h eh e i g h ts e e m st oh a v el i t t l ei n f l u e n c eo nt h er e s i s t a n c er e d u c t i o ne f f e c t e a c ho ft h em o d e l s s i m u l a t e dh a sag o o dd r a gr e d u c t i o ne f f e c t ( 4 ) n l ef l o wi n s i d et h eb o u n d a r yl a y e ri ss t u d i e d i ti sf o u n dt h a tt h ed i m p l e so nt h eu n s m o o t hs u r f a c ea r ea b l et oc h a n g et h et h i c k n e s sa n d s o m eo t h e ra s p e c t so ft h eb o u n d a r yl a y e r w h i c h1 c a d st oad r a gr e d u c t i o no nd i m p l e u n s m o o t hs u r f a c e ( 5 ) t h ep a t hl i n e sa n dv e l o c i t yv e c t o r si n s i d et h ed i m p l e sa r ed e p i c t e d i ti s 大连理工大学硕士学位论文 f o u n dt h a ta st h e r ei ss o l i d f l u i db o u n d a r yb e t w e e nt h ec o m i n gf l u i da n ds m o o t hs u r f a c e ， u n s m o o t hs t r u c t u r em a k e sf l o w ss l o wd o w ni n s i d et h ed i m p l e s w h e na i rf l o w st h r o u g h d i m p l eu n s m o o t hs u r f a c e s ，h i g h e rs p e e df l o w se o n t a c tw i t hs o m el o w e rs p e e df l o w st h a te x i s t i nu n s m o o t hs t r u c t u r e s ，w h i c hw o u l db ea b l et oc h a n g et h ef l o w si n s i d et h eb o u n d a r yo f u n s m o o t hs u r f a c e s ，r e d u c et h ef r i c t i o nr e s i s t a n c ea n dl e a dt oa d r a gr e d u c t i o n k e yw o r d s ：b i o n i c ；n o n - s m o o t hs u r f a c e ；d r a gr e d u c t i o n ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；b o u n d a r y l a y e r i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：磐埴型笾生韭羞通盎亘数逋堕! 眭i 量珏窒 作者签名： 尘墨 日期：卫翌星年j 三月生吉 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 一 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。一 作者签名： 导师签名：么象! 痧 7 l _ 7 日期：狸墨年垒月丛日 日期：递进年上l 月么乏日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1选题背景和研究意义 在科技不断发展，社会不断进步的今天，减少物体所受到的阻力，可以减少能源消 耗，增加交通工具运行速度，消声减振，能够广泛应用于交通、军事、环保、体育等许 多方面。首先，随着石油等能源价格的上涨，以及地球上的不可再生的远古地质能源日 益减少，节约能源消耗成为人类未来重要使命，而其中一个极其有效的方法则是：减少 各种交通工具在运行过程中所受到的阻力。粘性阻力在运输工具的总阻力中占5 0 以 上，l y n c h 做过如下估算：按照当时的燃料价值，对于一架像d c 1 0 尺寸大小的飞机， 升阻比每提高百分之一，每年可节约燃料费1 0 万美元i l j 。所以，即使很小的减阻量也能 很大程度地减少燃料消耗的费用。减小交通工具阻力还意味着，在相同条件下提高运输 工具的载运量或增加航程：其次，降低阻力在军事武器上尤其受到重视。高速、远射程 一直是人们努力追求的目标，而减小阻力是一个较为有效的途径。有效地减小弹体在飞 行过程中受到的阻力，可以提高飞行速度，加强对敌方的压制力，携带更多的弹药，提 高爆炸力。再者，减阻与环保和竞技体育密切相关。随着人们环保意识的增强，对许多 流体机械类产品提出了低噪音要求，而噪音来源于固体壁面与气流的相互作用。如能有 效地控制湍流边界层，减小壁面的阻力，将对降噪产生重要影响。在竞技体育中，如游 泳等运动项目，如能降低比赛装备的阻力，将大大提高比赛的成绩。近年来湍流减阻技 术与应用研究得到了迅速发展，并已被美国n a s a 研究中心列为2 1 世纪的航空关键技术 之一。 综上所述，我们应该采用一种简单可行、绿色环保的减阻方法来解决这些矛盾。自 然界中的生物，其体表具有非光滑结构，这种结构是生物为适应生存环境经过亿万年的 进化优化而形成的，具有脱附、减阻等特点。这些表面非光滑结构为人们发展新型绿色 减阻技术提供了重要的启示。本文的研究目的就是将工程仿生学理论与表面非光滑形态 结构减阻的思想应用于空气介质中，对凹坑形非光滑表面的减阻性能进行分析，为开发 一种新的有效的绿色减阻技术开拓新的思路，为仿生非光滑减阻技术的工程化、实用化 提供理论依据。如果能够将其应用到实际中去，无疑将是仿生非光滑减阻研究领域的重 要进展，具有重要的学术意义、广阔的应用前景和巨大的经济价值。 凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究 1 2 减阻技术的研究现状 1 2 1 减阻技术分类 目前，减阻技术的种类主要有涂层减阻、聚合物减阻、仿生非光滑表面减阻、微气 泡减阻、磁减阻等。这些技术主要是控制边界层内的湍流结构，对湍流结构进行有效的 干扰，从而控制湍流动能的损耗，最终实现减阻目的。 ( 1 ) 涂层减阻 涂层减阻的关键技术在于减阻涂料和涂敷技术两个方面。其中减阻涂料是物质基 础，而涂敷技术是该项技术推广的前提。中国石油集团工程技术研究院在国内率先研制 成功a w o l 天然气管道减阻耐磨涂料。采用水溶性线型高分子涂层由涂层表面溶解出来 线型高分子抑制初始剪切涡，吸收压力脉动能量；或者由溶胀涂层的柔性效应抑制和吸 收压力脉动，减小航行体阻力。 涂层减阻的机理弘j 是：壁面高分子涂层可以形成柔顺壁面，用柔顺边界面替代刚性 边界面从流体外侧边界创造条件来影响流体流动，从而达到减阻效果。低表面能涂层减 阻主要来自于湍流边界层减阻，使湍流边界层的转捩点后移造成了阻力减小。 ( 2 ) 高分子聚合物减阻 1 9 4 8 年t o m s 3 1 在水管内溶解少量聚甲基丙烯酸甲酯，使管流阻力减少8 0 左右，这 发现曾引起轰动。众多学者进一步研究发现，许多高分子溶液都具有减阻特性。后来 人们常称此类减阻为“t o m 现象 。高分子溶液减阻只对湍流边界层流动有效，其减阻 机理十分复杂，众说纷纭。迄今为止，几乎所有的理论工作者都认为聚合物溶液的粘弹 性通过某种方式导致了减阻。但由于减阻流体是极稀的聚合物溶液，用标准的流变学实 验方法根本测不出其粘弹性质，实验数据的缺乏使减阻机理的探讨难以深入。 ( 3 ) 仿生非光滑表面减阻 生物经过亿万年的进化，形成了适应自身环境的体表结构，其表面阻力非常低。因 此通过仿生学的研究，设计出具有减阻效果的微表面结构，是一种有效的减阻方法，并 且不会给使用体带来附加设备或额外能量消耗及空间占用，也不会对流体造成污染，仅 依靠直接改变壁面形状就可以起到很好的减阻效果，故在各种减阻技术中被认为是最有 前途的减阻方法。 ( 4 ) 微气泡减阻 微气泡减阻方法是在壁面引入微小的气泡，使微气泡和水混合形成气液两相流，从 而减小水下航行器的表面摩擦阻力。国外学者早在1 8 世纪就开始研究，他们在船体和 大连理工大学硕士学位论文 水的边界之间注入一层空气，减小表面摩擦阻力。m e r k l e l l 4 1 等采用平板喷气的办法进行 减阻实验，气泡直径估计在亚微米到5 0 n m 之间，气泡体积浓度在1 1 0 的边界层厚度处 达到最大值，在喷口紧后方减阻量最大，沿着去流方向，局部摩擦阻力减小量开始下降。 平板及回转体的实验结果表明，适当喷气流量和来流速度下，表面摩擦阻力可减少 5 0 8 0 。近3 0 年来，国外许多学者对微气泡减阻进行了大量实验和理论研究。 n k m a d a v a n s l 等在湍流边界层中引入高浓度的微气泡进行实验研究及数值计算。实验 中来流速度较低时，重力和浮力的影响较为显著；反之则较弱。结果表明，表面摩擦阻力 的减小量取决于气泡的空隙比、气泡的位置和气泡在边界层中的分布。 ( 5 ) 磁减阻技术 磁减阻技术在石油工业中的应用发展较快，是较有前途的一种技术。原油的磁处理 与温度、磁感应强度、含水量等因素有关。磁处理技术在石油工业中的应用得到较快的 发展，室内和现场实验证明磁场对原油及原油乳状有减阻作用，磁处理原油的减阻率都 在1 8 9 2 以上1 6 】。磁处理技术使用方便、简单、投资少、效果好，特别是在增注、防蜡、 防垢和减阻方面有很好的效果。 1 2 2 非光滑表面减阻方法综述 生物学家在观察许多鱼类和其他生物的皮肤后，发现这些皮肤并不简单，非常值得 研究。也因此想出了各种模仿鱼类或鲸豚类皮肤的方法。目前较常见的仿生减阻方法包 含了下面这些方式：自适应表面( c o m p l i a n tw a l l ) 、条纹减阻( r i b l e t ) 和凹坑形状非光 滑表面减阻。 ( 1 ) 自适应表面( c o m p l i a n tw a l l ) 1 9 3 6 年，g r a y 7 】发现了海豚的实际游泳速度要和生理上所能达到的游泳速度之间存 在着巨大的差别，这一发现引起了众多科学家的兴趣。1 9 6 0 年，k r a m e r t s l 做了这样的假 设：由于海豚的皮肤具有自适应性，可以使水流稳定地流过海豚表面，并且使得发生湍 流的转捩点推后，因此可以明显的减少海豚表面的粘附阻力。随后的理论计算证明了这 种假设。经过2 0 多年的研究，理论学家和试验学家例共同证明并认定了m a xk r a m e r 假 定，认为海豚的表皮具有稳定层流的作用。海豚表皮光滑，在皮肤表面下隐藏着一些纤 维结构，当海豚游动时，随着滑过海豚体表的水流剪切阻力的增大，海豚皮肤逐渐由光 滑转变成具有一定几何形状的非光滑形态，实现减阻目的。根据这一发现，一些科学家 提出了一种自适应表层减阻技术，即将仿照海豚皮肤所制成的柔性表层覆盖在与空气一 水介质相接触的物体表面，这种仿真皮肤表面光滑，但内部具有内置式的棱纹状突起， 凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究 当流经贴有这种柔性表层的流体的动能量达到一定程度时，这种内置式棱纹突出，形成 非光滑表面，从而使得流体流过这种表面的时候能够达到减阻的目的。 ( 2 ) 条纹表面( r i b l e t s ) 第一个研究条纹沟槽减小湍流边界层阻力的是w a l s h i o - 1 3 】，1 9 7 8 年，n a s a 兰利研究 中心的w a l s h 及其合作者最先开展了沟槽平板湍流减阻的研究，设计出分布有2 5 4 x 1 0 - z i n l t l 的微小凸状物的微观非光滑表面，并粘贴在飞机机身上，结果机身的表面阻力减小了 6 8 。这种棱纹形仿生非光滑表面为飞行器设计提供了一种新的低阻表面形态。沟槽 的几何形状多以顺流向v 字形为基准，其它还有u 形、l 形、s p a c e v ( 1 4 - 1 5 】形等横截面，如 图1 1 所示。 cw ) ( a ) v 形沟槽( b ) u 形沟槽( c ) l 形沟槽( d ) s p a c e - v 形沟槽 ( a ) vs h a p e( b ) us h a p e( c ) ls h a p e ( d ) s p a c e - vs h a p e 图1 1 不同沟槽形状的非光滑表面 f i 9 1 1 u n s m o o t hs u r f a c eo fd i f f e r e n tr i b e l ts h a p e s b a c h e r s f l l s m i t h 1 6 澳l j 量了流速分布并通过边界层动量积分得到2 5 的减阻；采用同样 的方法，g a l l a g h e r 和t h o m a s 1 1 7 】的研究结果表明只在沟槽板的后半部分阻力有所减小，但 总的阻力几乎不变；c o u s t o l s 1 8 j 得到了1 0 1 5 的减阻，且当侧滑角小于2 0 0 时仍有较好 的减阻效果；p a r k 和w a l l a c e 1 9 佣热线风速仪测量了沟槽内的流向速度场，通过对沟槽壁 面切应力积分得到4 的减阻；n e u m a n n 和d i n k l a c k e r 对头部为椭圆旋成体的圆柱体研究 得到9 的减阻；对于类似的模型，c o u s t o l s 在跨音速流动中得到了7 一8 的减阻。 我国在沟槽面湍流减阻方面的研究起步较晚，目前主要有西北工业大学，吉林大学、 清华大学、北京航空航天大学等一些高等院校及研究所在这方面展开了研究。西北工业 大学从1 9 8 6 年开始对飞机外表面沟槽薄膜减阻进行了探索性研究j ，在进行了大量平板 的水洞和风洞试验之后，于1 9 9 0 年3 月进行了运七飞机全机模型的沟槽面薄膜减阻试验。 减阻薄膜用于机翼上具有湍流边界层的部分( 用于4 0 弦长以后的机翼上表面) ，试验中 得到了较好的减阻效果。西北工业大学的石秀华、傅慧萍在水槽中对沟槽表面减阻进行 大连理t 人学硕士学位论文 实验得到1 0 的减阻量口”，她们还川有限差分法进行了数值计算，结果表明当沟槽顶 角等于6 0 。时，沟槽减阻效果虽好，减阻可达1 1 。西安交通大学宫武旗拉3 1 等人在雷诺数 分别为118 1 ( 1 和26 3 1 ( 1 5 的情况下，测得沟槽壁面相对于光滑壁面减阻分别为74 3 和 62 0 ：此外还有北京航空航天大学土晋军老师对沟槽面揣流边界层拟序结构l 2 4 - 2 s 进行 了一系列的研究，结果表明沟槽面的低速带条有较好的直线性，能够限制流体的横向流 动，增强了流动的稳定性。王晋军还对上下表面开有对称v 型沟槽的三角翼进行风洞试 验口q ，表咀在一定的攻角范围内，三角翼的阻力均有碱小。 f 3 ) 凹坑表面 除了条纹状的仿生非光滑表面形态的减阻研究，科研人员还模仿中华鲟鱼等鱼类的 表面圆形凹坑的形状做了凹坑形状的仿生非光持表面减阻的试验，但国内外对这种表面 减阻的研究还比较少。b e a r m a n k i a h a r v e y 发现口”，雷诺数在4 x 1 0 4 i 1 3 x 1 0 5 的范围内，利 用凹坑直径与圆柱直径比为00 0 9 的凹坑，可以减小圆柱体的阻力。北京航空航天大学 杨弘伟、高歌等1 对菱形网状圆凹坑点阵结构的减阻特性进行了研究，并且通过水洞试 验表明，菱形网状分布的凹坑表面结构应用于n a c a 一1 6 0 1 2 翼型的减阻效果最高可过 2 2 ，但是水的特性与空气中的特性有时会完全不一样，水中可以实现的大幅度减阻在 空气中是否具有同样的结果，亦有待于进一步的研究。 图12 高尔夫球表面 f i g l2s u r f a c eo f a g o l f 圉13 吉林陨石馆藏的最大陨石的表面 f i g l3s u r f a c eo f t h eb i g g e s ta e r o l i t e i na m u s e u m 凹坑形非光滑结构在空气中减阻的最好实例是在高尔夫球上的应用。为了使高尔夫 球飞得更远，人们把高尔夫球表面做成了凹坑犁惟光情表面( 如图l2 ) 。大多数高尔夫 球有3 0 05 ( 1 ( 1 个【坑，坑深约为00 2 5 c m 。高尔夫球b 行的前方有一高压区，气流在球表 面形成薄薄的边界层，l 气流经球的后力时，边界层与球体分离，在球的后方产生一个 湍流尾流区。湍流的扰动导致球体后区压力较低，尾流区越大，压力就越小，对球的阻 凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究 力就越大。光滑球面的界面层容易剥离而产生大的尾流区；凹坑使空气形成的边界层紧 贴球的表面，使平滑的气流顺着球形多往后走一些，减小尾流区，增加球后方的压力， 使球飞得较远。在吉林陨石馆内，陈列着1 9 7 6 年3 月8 日在吉林地区降落的许多陨石，其 中最大的一块重量为1 7 7 0k g 。有意思的是，许多陨石都是典型的凹坑型表面( 如图1 3 ) 。 陨石来自太空，在高速堕落过程中与大气层激烈撞击和摩擦，在这种条件下形成的凹坑 型表面应该是耐摩擦和耐磨损的，这是非光滑表面特异性的天证。我们相信，这些非光 滑表面的特性在航天、航空和其他机械工程领域中有广泛的应用前景。 1 2 3 非光滑表面减阻机理的研究现状 对仿生方法湍流减阻机理的研究是人们一直孜孜不倦以求解决的重大课题，尤其是 对于仿生表面法的研究更是乐此不疲。尽管对于非光滑表面具有减阻效果的机理目前还 不能够达到一个统一的认识，但是大多数人认为，湍流机理的研究应主要集中在湍流边 界层的近壁区。 近几年发展起来的减阻机理主要有两种观点：一种是针对湍流产生机理及近壁区湍 流相关结构模型提出的“第二涡群论 ；另一种是从粘性理论出发的“突出高度论。 下面分别对两种理论进行简单介绍。 ( 1 ) 第二涡群论 b a c h e r 和s m i t h t l 6 j 认为反向旋转的流向涡与条纹尖顶形成小的二次涡的相互作用， 这种二次涡减弱了与低速带条相联系的流向涡，使得低速流体保留在沟槽内。流动显示 的结果也证明了这一点，染色液的展向扩散限于沟槽内，相邻沟槽间的相互作用较弱。 s j l e e 等人【2 9 】的流动显示试验证实了二次涡的的存在。条纹尖部形成的二次涡如图1 4 所示。 产生二次漏 图1 4 流向涡与沟槽面的相互作用 f i g u r e 1 4 i n t e r a c t i o nb e t w e e ns t r e a m w i s ev o r t e xa n dr i b l e ts u r f a c e 大连理工大学硕士学位论文 而条纹表面的单位展长内低速带条的减少也已被r o b i n s o n 【3 0 】等人的试验观察所证 实。s t a r l i n g 和c h o i ( 3 1 1 认为条纹减阻最主要的是纵向凹槽与马蹄形涡相互作用并阻碍漩 涡的进一步发展，从而降低了湍动能的耗损，实现了转捩延迟和湍流减阻。肋间沟槽限制 了流向涡的展向运动，引起壁面猝发变弱，从而降低了湍能耗损，导致了壁面摩阻的减 少。 ( 2 ) 突出高度论 “突出高度( p r o t r u s i o nh e i g h t ) f 1 3b e c h e r t 3 2 1 第一次提出，并利用“突出高度 对沟 槽表面的减阻机理进行了系列研究；l u c h i n i 【3 3 】也用“突出高度”对沟槽减阻机理进行了 探讨。 突出高 表观起点 ( a ) 纵向流 ( a ) s t r e a m w i s ef l o w 突出高 表观起点 横向流 c o ) s p a n w i s ef l o w 图1 5 沟槽突出高度 f i g 1 5 p r o t r u s i o nh e i g h to fr i b l e t s 突出高度是沟槽尖顶到沟槽表面对应的等价光滑表面的距离。等价光滑表面是指通 过保角变换，将沟槽表面转变为平板，从而得出沟槽表面近壁区的速度分布，沟槽底部 速度梯度最小，沟槽尖顶速度梯度最大，综合考虑各点速度梯度而形成的一个平面。 图1 5 所示表观起点以下凹槽内的流动，绝大部分被粘性所阻滞，相当于增加了粘 性底层的厚度，减小了壁面边界层内的平均速度梯度，致使表面摩擦阻力降低。 1 3 本文的主要研究内容 虽然国内外的科学家和学者已经对非光滑表面的减阻技术进行了几十年的研究，但 是人们对该领域的了解还远远不够，尤其是对非光滑表面减阻的机理还不清楚，再加上 减阻实验上的复杂性，使得人们往往选用计算机数值模拟( c f d ) 的方法对该问题进行 研究。 凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究 本文用数值模拟的方法对凹坑形仿生非光滑表面进行分析，分析该种非光滑表面的 减阻效果并研究其减阻机理。具体工作如下： 1 学习和总结国内外有关非光滑表面减阻技术的试验和模拟以及非光滑表面减阻 技术在工程上的应用，为论文的理论分析以及优化设计奠定基础。 2 根据仿生学理论分析非光滑单元体的生物原型，确定用于平板减阻的非光滑表面 形态，估算非光滑单元体的尺寸，建立非光滑表面结构，并将该非光滑表面与光滑表面 放置于同一模型中进行分析；对所建模型进行合理、细密的网格划分。 3 确定本文数值模拟所采用的模拟方法、湍流模型、求解技术、边界条件以及初始 条件等。 4 用f l u e n t 软件对凹坑形非光滑表面流场进行模拟，计算出光滑表面和非光滑表 面的总阻力值和各分量阻力值，通过比较两种表面上总阻力的大小来确定非光滑表面是 否具有减阻效果。然后对具有不同凹坑单元尺寸的非光滑表面在不同来流速度下的流场 进行模拟，得到凹坑形单元尺寸( 凹坑直径和凹坑深度) 和来流速度对凹坑形非光滑表 面减阻效果的影响。 5 分析非光滑结构对模型表面一些物理量的影响以及非光滑表面壁面附近的流场 情况，来研究凹坑形非光滑表面的减阻机理。 人连理t 大学硕士学位论文 2 凹坑形仿生非光滑表面模型设计及计算区域的离散化 利用非光滑表面来降低物体在流体介质中的阻力，已经成为仿生减阻流场控制中应 用成功的一个实例。生物经过亿万年进化而来的非光滑体表，的确具有自沽和减阻的功 效，这已经被众多的仿生研究工作者所认同并逐渐被人们所接受。目前，人们利用非 光滑结构进行减阻研究与应用，多数都集中在棱纹这一种非光滑形态。但是，正如昆虫、 鸟类以及螳螂等都各自发明了自己的飞行方式一样生物体表的非光滑形态特征的进化 结果也会各自不同。本章针对生活在流体介质中的生物表面进行有意识的模仿，通过平 板在低速空气中的动力学特性，对仿生非光滑表面在平板模型上的设计提供新的方法和 原则。 21 凹坑形仿生非光滑表面形态选择原则 211 仿生非光滑表面的生物原型 许多动物、昆虫等在进化过程中形成了有利于降低阻力的非光滑形态，其中最为典 型的昆虫就是黄缘真龙虱。黄缘真龙虱属于昆虫纲鞘翅目龙虱科真龙虱属的昆虫。它不 仅- 4 以生活在陆地上同时也可以在水中生存，还可以在空中飞行】，可阻说是地球上 进化得较为完美的生物之一。经研究发现，龙虱之所以能够快速游动与飞行，也是与其 体表的凹陷型的非光滑结构是分不开的。黄缘真龙虱图片及其背部的凹坑如图2 1 所示。 ( a ) 黄缘真龙虱圈 ( a ) p i c t u r + a f t h ec y b i s t 8 rb e n g a l c n s i s ( b ) 龙虱背部凹坑型非光滑结构 f b l t h e n 0 一m s u f f a c e o f i h ec y b i s t e r 凹21 黄缘真龙虱图非光滑体表 f i 9 2 1 u n s m o o t hs u r f a c e o f t h ec y b i s t e r b e n g a l e n s i s 凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究 大量的研究表明，很多生活在水中、土壤中的生物和空中飞行的昆虫，都具有凹坑 形状的体表非光滑结构。本文就对具有凹坑形非光滑形态的表面在空气介质中的减阻效 果做一些研究。 2 1 2 非光滑结构的尺寸选择原则 经研究表明，无论是气流分离所引起的压差阻力还是由于气体的粘性作用而引起的 摩擦阻力，它们总是和边界层以及边界层的厚度有关。通过非光滑结构实现对边界层的 控制，改变边界层的厚度，有可能实现减阻。可见，非光滑结构的选择应该和边界层有 关。 在大雷诺数下，法向速度梯度比较大的区域只是贴近物面的一个薄层，就是边界层。 边界层的厚度很小，且沿着流动方向逐渐增厚。边界层内、外区域实际上没有一个明显 的分界面，一般在实际应用中把边界层的厚度规定为，在边界层的外边界上，流速达到 边界层外流速的9 9 。本节以平板为例，大致可以对边界层的厚度有一个合适的估计， 然后根据边界层的厚度，来估算非光滑形态的尺寸。 在本文中，设置来流速度范围为4 m s 4 8 m s ，流场温度为2 8 8 k ，计算域长度为 0 0 2 m ，相应的雷诺数可以用r e - 来计算，其中y 为平均速度，z 为平板长度，空 气介质的运动黏度 ，1 4 9 x 1 0 6 朋2 s 。平板层流边界层的边界层厚度可以用公式 6 5 8 4 x r e 州2 来估算，平板湍流边界层的边界层厚度可以用公式6 - 算，计算结果如表2 1 所示。 表2 1 模型边界层厚度 t a b 2 1 t h i c k n e s so ft h eb o u n d a r yl a y e r 目前国际上关于凹坑减阻研究仍然较少，没有形成理论指导，因此，凹坑的非光滑 表面单元体尺寸在研究初期根据边界层的厚度来确赳3 5 1 。本文在对凹坑非光滑形态尺寸 的选择方面，以各速度下的最大边界层为标尺，将非光滑形态的高度或深度控制在边界 层的最小厚度以内。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 计算域模型的建立 本文建模和网格划分均采用g a m b i t 软件进行操作，g a m b i t 软件是f l u e n t 公司提供 的前处理器软件，它包含功能较强的几何建模能力和强大的网格划分工具，可以划分出 包含边界层等c f d 特殊要求的高质量的网格。使用g a m b i t 软件，可大大缩短用户在 c f d 过程中建立几何模型和流场以及划分网格所需要的时间。 本文在所有的数值模拟中取相同的计算域，并且在建模时将光滑表面和非光滑表面 布置在同一流场中，这样不仅可以减小计算次数，节省计算时间，还可以减小计算误差。 同时为了为避免上下流场的干扰，应当将计算模型的高取足够大。本论文中x 向为流体 流动方向。计算域图如图2 2 ( a ) 所示，模型尺寸为x ( 长) y ( 高) z ( 宽) 为2 0 m m x 8 m m x 4 m m ，其中x 的坐标范围为( - 1 0 m m ，1 0 m m ) ，y 的坐标范围为( 4 m m ，4 m m ) ，z 的坐标范围 为( 2 m m ，2 m m ) 。 入 ( a ) 计算域模型 ( a ) m o d e lo fc a l c u l a t i n ga r e a ( b )凹坑模型 ( b ) m o d e lo ft h ed i m p l e s 图2 2 整体模型与凹坑模型 f i 9 2 2 m o d e lo ft h ec o l u m na n dt h ed i m p l e 在图2 2 ( a ) 中，计算域的顶面为光滑表面，底面为非光滑表面。凹坑形状为图2 2 ( b ) 所示，其中s 代表凹坑直径，h 代表凹坑的深度高度。流体的流动方向为x 向，从左 面流入，从右面流出( 流体的入口和出口已在图中标出) 。本文中，非光滑表面上凹坑 的排列为菱形交错点阵结构排列，如图2 2 ( a ) 所示，凹坑的横向间距和流向间距均为 2 m m 。本文的计算模型只在非光滑表面的中间部分设计了凹坑单元，这样既可以分析凹 坑单元对非光滑表面上凹坑下游光滑部分的流动的影响，还可以壁面模型的入口效应。 凹坑形仿生非光滑表面的减阻性能研究 此外，由于本文研究重点在于凹坑非光滑表面的减阻效果及减阻机理，而不对凹坑排列 方式对减阻效果的影响进行讨论，因此，本文中的所有模型均为图2 2 中所示的菱形排 列方式。 2 3 计算区域的离散化 2 3 1网格生成介绍 网格是离散的基础，是c f d 模型的几何表达形式，也是模拟与分析的载体。网格 节点是离散化的物理量的存储位置，网格在离散过程中起着关键的作用，网格的形式和 密度等对c f d 计算的精度和计算效率有重要影响。因此，网格划分在数值计算中具有 重要的意义，生成网格质量的好坏直接影响模拟结果的精度和所消耗的计算时间，网格 太稀就不能有效的捕捉到流场的重要信息，甚至不收敛，网格太密也会使c p u 的计算 时间增加。目前，生成网格所需的时间约占一个计算任务全部人力时间的6 0 左右，可 见网格生成是c f d 作为流体动力学工程应用的有效工具所面临的关键技术之一。随着 计算机技术的迅猛发展以及c f d 解决的问题日趋复杂，网格生成技术已经发展成为c f d 的一个重要分支，它也是计算流体动力学近二十年来取得较大进展的一个领域。而随着 外形复杂程度的提高，要生成贴体的计算网格更加困难，为此近十多年来发展了不少新 的分区结构网格和非结构网格方法。 非结构网格与结构网格相比具有更大的灵活性。它舍去了网格节点的结构性限制， 节点和单元的分布是任意的，因而能较好地处理边界。非结构网格生成方法在其生成过 程中都采用一定准则进行优化判定，因而能生成高质量的网格，且很容易控制网格的大 小和节点的密度。一旦在边界上指定网格分布，在两个边界之间就可以自动生成网格。 近年来非结构网格方法受到了高度重视，有了很大的发展。 表2 2 网格划分的方法 t a b l e 2 2m e t h o d so fm e s h i n gg r i d s 方法描述 m a p s u b m a p p a v e p r i m i t i v e w e d g ep r i m i t i v e 创建四边形的结构性网格 将一个不规则的区域划分为几个规则区域并分别划分结构性网格 创建非结构性网格 将一个三角形区域划分为三个四边形区域并划分规则网格 在一个楔形的尖端划分三角形网格，沿着楔形向外辐射，划分四边形网格 大连理上大学硕士学位论文 g a m b i t 对于二维面的网格的划分提供了三种网格类型：四边形( o u a d ) 、三角形( t r i ) 和四边形三角形混合( q u a d t r i ) 同时还提供了五种网格划分的方法。表22 列举了五 种网格划分的方法。 232 计算网格的划分 关于平扳表面流场的实验研究结果表明在近壁区的底部大部分流动被粘性所阻 滞，而顶部的流