（流体力学专业论文）脊状表面减阻特性及其结构优化设计研究.pdf

西北工业大学硕士学位论文 摘要 摘要 脊状表面减阻是近年来兴起的一种减阻方法。与其它减阻方法相比，脊状表 面减阻技术不需要改变航行器结构、外形，不需要增加辅助设备，性能稳定，使 用范围广，且价格低廉，在军用和民用方面都有很大的经济价值。 本文主要针对垂直于流向的脊状表面减阻特性进行了模拟计算，并首次对此 种状态下的脊状表面减阻特性进行了全面细致地研究，同时对不同来流方向下的 脊状表面减阻特性也进行了初步探讨。首先，从数学模型的建立入手，建立了雷 诺平均na _ “e r - s t o k e s 方程+ 湍流模型的数学方程，对近壁区进行了处理，采用了 低雷诺数下的j 啪七一占模型；运用了二阶迎风格式保证了运算的精度；使用了 s i m p l e c 方法避免了模拟中的回流现象：三角形的非结构化网格，满足了特殊脊 状结构的网格划分，并在近壁区将网格加密，使得当旷= l 时最少有一个网格节点 存在。其次，在数值计算结果的基础上，比较了脊状表面和平板表面湍流边界层 的流动特性，论述了脊状结构的减阻特性，进一步研究了脊状表面减阻机理。研 究结果表明，目前较为有说服力的两种脊状表面减阻机理，即“第二涡群”论和 粘性理论，在文章中均得到了很好的证实。最后，从尺寸、形状、疏密、来流方 向、雷诺数等方面对脊状结构的优化设计进行了研究。 通过计算，本文得到了如下定性及定量的结论：( 1 ) u 型和v 型有着较好的减 阻效果，且尺寸越小减阻效果越好，当广= 1 5 时，减阻效果要优于其它尺寸的减 阻效果；( 2 ) 针对目前国际上研究比较多且存在争议的v 型三种典型尺寸 ，s = l ， j = o 5 和 s = 2 的减阻特性进行了分析，当办s = l 时，减阻效果最佳；( 3 ) 速 度越小减阻效果越好，说明脊状结构在低速下对流场的影响较大；( 4 ) 当间隔，+ 一2 2 时有较好的减阻效果，大于这个值时，反而会增阻；( 5 ) 在小雷诺数下有较好的减 阻效果，这也与前面的所证明的速度越小减阻效果越好这一结论吻合；( 6 ) 对不同 来流方向下的脊状表面减阻特性进行了初步的研究，与来流成3 0 度角的脊状表面 有着较好的减阻效果，但是它的流场较为不稳定，可以预测，顺流向的脊状表面 比垂直流向的脊状表面有着较好的减阻效果。 关键词：脊状表面，湍流边界层，减阻特性，结构优化 西北工业大学硕十学付论文 a b s 打a c t a b s t r a c t t h et e c i l i o l o g yo fd r a gr e d u c t i o no fg r o o v es u r f a c ei 8r o s e1 a t e ly c o l n p a r e dw i t l l o t h e rt e c h n o l o g yo fd m gr c d u c t i o n ，t l l et e c h n o l o g yo fd r a gr e d u c t i o no fg m o v es u m i c e n e e dn o tc h a i l g et h es t n l c t u r ea n df i g u r e ，n e e dn o ta d da c c e s s o 嘞t h ec a p a b i l 姆i ss t a b l e ， 1 l s ec x t e n s i v e l y 觚dc h e 印s oi ti sv c r yv a l u a b l ef o rm i l i t a | ya 胤陪锄dc i v n t h eg r o o v es u r f a c ew h i c hp e r p e n d i c u l a r st ot l l en o wi sn 啪嘶c a l l yc o m p u t e da l l d s i i i l u i a t e d d r a g r e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sg r o o v ea r cr o l l i l d l ys t l l d i e d0 nf o rt l l e f i r s tt i m e ，砒m es a m et i m e ，t h e 斟o o v eu n d e rt h ed i f f e r e md i r e c t i o no fn o wi sp i l o t s t l l d i e d s t a r t e dw i t ht l l em o d e l i n g ，t h ed i s c r e t c r l e s so fm a t l l e m a t i c a lm o d e la n dt h e 西r d b u i l da r er e s e a r c h e do n ，a 芏1 a l y z e da 1 1 dm em e c h a i l i s mo fd r a g 一刚u c t i o ni s d e e p i y s n l d i e db yc o m p 耐n gt r a v e l i n gw a v es u r 白c ew i t hp l a t es i l r f 如e f i r s t ，f o u n d a t i o nt h c e q u a t i o no fn a v i e r s t o k e s 十1 u r b u l e n tm o d e l i n g u s et l l el o wr e y n o l d so f 。r g 七一 m o d e lt od i s p o s eo ft h en e a rw a nr e g i o n i no r d e rt og e tt l l ee x a c t 糟s u l t ，l l s et 1 1 e s i m p l e ct od i s c r e t em em a 也e m a t i cm od e l u s em et r i a n g i d a r 咖c t i l r e dm e s h c st o 蛀nm eg r o o v e ，a n di n c r e a s em o r em e s h e si nm en e a rw a l lr e g i o n ，t l l e r ei so n em e s ha t t h ep o s i t i o no fy + = la tl e a s t s e c o m ，b a s e do nt h er e s u l to f c o m p 吡撕o n ，a n a l y z e da i l d t h em e c h a i l i s mo f d r a g r e d u c t i o ni sd e e p l ys t l l d i e db yc o m p 撕n gn 丑v e l i n gw a v es u r f 矗c e w i t hp l a t es u r f a c e t h er e s u l t ss h o wt h a l ，“s e c o n dv o n e x e s ”a r ee x i s t e n ta l l dm c “v i s c o u s 血e o r y ”i sc o r r e c t o p t i m i z et h eg m o v es n _ i l c t u r ei nt e r mo fs i z e ，s h 印e ，s p a c i n 岛 d i r e c t i o no fn o wa n dr e y n o l d s 0 p t i l i l i z e 协e 伊o o v es t 九l c t u r ei nt e m lo fs i z e ，s h a p e ，s p a c i n g ，d i r e c t i o no fn o wa n d r e y n o l d s t h ec o n c l u s i o n s 甜ea sf o i l o w s ：m es h a p eo f ua n dvl l a sb c t t e rd r a g - r e d u c t i 吣 t h es m a l l e rt b eb e 他r ，t h eb e s td 豫gr e d l l c t i o ni sg o tw h e n 矿= 1 5 ni sc o n 仃o v c r s i a l a b o u t t t l e b e s ts i z eo f v 。s oc o n l l i l u t a t e t h es i z e o f 而j = l 。_ i l 占= o 5a i l d j = 20 f v ，r e s e a r c ho n 也e i rd r a g r e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，i ti ss h o w st h a t ，t h eb e s cs i z e i s s = 1 1 1 1 eb e t t e rd r a g r e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci sg o ta tt h c1 0 ws p e e d m e n 恤 s p a c i n gr = 2 2 ， t h eb e n c rd m g r e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci s9 0 t ，i f ，+ 2 2 ，n l ed r a g i 1 1 c r e a s eo b v i o u s ly a ts m “l e rr e y n 0 1 d sb e t c e rd r a g r e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i ci s g o t p r e l i m i n a r y 蚰d yo nt h ed r a g r e d u c t i o no fg r o o v ef o rd i 虢r e mn o wd i r e c t i o i l ，w b e nt h e a i l g l e o fn o wd i r e c t i o na 1 1 d 伊o o v e i s3 0 。c a ng e tt h eb e t t e r d r a g r e d u c t i o n 西北t 业大学硕士学位论文 a b s 讹c t c h a r a c t e r i s t i c s ，b u ti t sf l o wf i e l di s 硼喀t e a d y k e yw o r d s ：g r o o v es u 响c e ，t u r b u l e mb o 瑚d a r yl a y e r d r a g r e d u c t i o nc h a r a c t e r i s t i c i i i 西北工业大学硕士学位论文 符号表 ! _ 目自! ，t ! 巴_ 目* 自= j = ! ! ! ! ，= ! = = = e j _ = = = = ! = = = e e = j ! _ ! = e _ = _ _ # ! = e = ! - l _ e = 自= ，_ _ - e _ _ _ - _ j e ! = _ _ 一 白由流速度 沿流向的笛卡尔坐标 垂直于壁面的笛卡尔坐标 无因此y 向高度 横向笛卡尔坐标 雷体模型长度 雷体模型直径 雷体粘湿面积 雷体横截面积 速度系阻力系数 雷体系阻力系数 速度系升力系数 雷体系升力系数 速度系扭矩系数 雷体系扭矩系数 x 静校值 y 静校值 z 静校值 水的密度 攻角( 无侧滑角) 天平的t y ，m ：的输出值 x 向的湍流平均速度分量 y 向的湍流平均速度分量 符号表 z k z y y + ：丛 y z z d m 吒 q q l c y 0 l 舰 研：i i l i y l 。 p 口 n 。，n ，n u v 西北工业大学硕十学位论文 符号表 z 向的湍流平均速度分量 x 向的湍流脉动速度分量 y 向的湍流脉动速度分量 z 向的湍流脉动速度分量 压力 运动粘性系数 湍流粘性系数 边界层厚度 小肋高度 无因此小肋高度 小肋宽度( 或小肋齿峰间距) 无因此小肋宽度( 或无因此小肋齿峰间距) 突出高度 无因此突出高度 壁面剪切应力 近壁区的长度比尺 壁面剪切速度 计算平面中与x 坐标对应的直角坐标 计算平面中与y 坐标对应的直角坐标 上标符号表示无量纲量 v f 一 一， 一兰9 慨y 一， 一，r阻怕 | i = = i l w口矿订p ，以艿h 矿 。 ， 杉 勺 虬一y 坼 可 西北工业大学 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即；研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复- 印件和电子版。本人允许论 文被套阅和借阅。学校可以：肾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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明， 学位论文作者签名：自蚪 年月日 旨导教师签名 年月日 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：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，除文中已经注睨引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：毒牟盛_ 缉 年月 日 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 脊状表面减阻的目的和意义 鱼雷是一种在水下进行快速隐蔽攻击的重要武器，曾在近海战争中建立了不 可磨灭的功勋。近年来，潜艇技术发展迅速，特别是核潜艇的航速已经超过了4 0 节。为了在未来海战中有效地对付新型的高速潜艇，鱼雷的航速和航程必须有大 幅度的提高。而减小表面摩擦阻力正是提高鱼雷技战术性能的直接而有效的办法。 假如我们能将阻力减小1 0 ，假定发动机推力不变，有效巡航时间不变，则巡航 速度和航程同时增大约5 ，4 。减小阻力是提高鱼雷战术技术性能最直接而且是最 有效的手段；采用降阻措施的同时还可以在保证水下航行器航程航速的前提下， 节省出能源空间，加大装药量，直接提高其反潜效果，另外降阻的研究也为抑制 气穴和湍流噪声的研究开辟了新途径。 流体力学中的阻力指的是流体作用在物体上的合力在物体运动方向上的分 量。不可压缩流体的阻力可以分为四类：粘性阻力、诱导阻力、惯性阻力、兴波 阻力。粘性阻力则是由流体粘性作用而产生的阻力；诱导阻力是与物体运动中产 生的升力相联系的；惯性阻力是与物体的非定常运动相联系的；兴波阻力是与物 体在自由液面附近运动相联系的。一个物体的实际运动阻力与其运动状态相关。 例如，物体作匀速运动时没有惯性阻力，在深水中运动便没有兴波阻力等等。且 在各种具体情况下各种阻力所占的比重不同。例如，对于高速水面舰艇来说兴波 阻力占总阻力的较大一部分。但是在各种情况下，粘性阻力都是物体阻力的基本 部分。粘性阻力也被称之为型阻或零升阻力，它又由两部分组成：摩擦阻力和粘 性压差阻力。 结合上面的阻力分类。可知对于水上舰船减阻的研究可以从减小兴波阻力和 粘性阻力两方面入手，而对于水下物体则主要是设法减小粘性阻力。由此可见不 论是水面舰船还是水下航行器，减小粘性阻力都是一种行之有效的减阻方法。而 对于一般航行器只要不存在严重的分离现象，它的粘性压差阻力在粘性阻力中所 占的比例是不大的，而表面摩擦阻力在航行器的总阻力中占有很大的比例。可见， 设法减小表面摩擦阻力是实现水下航行器减阻的关键。 节约能源消耗是人类一直追求的目标，减阻在民用方面同样具有重要意义。 l 两北r 业大学硕士学位论文 第章绪论 由于表面摩擦阻力在运输工具的总阻力中占有很大的比例，如常规水面运输机或 水面船只，其表面摩擦阻力占总阻力的5 0 ，雨水下潜艇则占总阻力的7 0 左右， 而在长距离的管道输送中，泵站的动力几乎全部用来克服表面摩擦阻力。在运输 工具的设计过程中，尽量减小表面摩擦阻力会节省出大量的能量。如空中客车公 司通过减小表面摩擦阻力可达到节油1 2 的效果，减小消防系统的阻力增大喷射 高度。在城市下水管道的洪水排污，石油勘探，开采以及原油管道的长距离运输 等方面都有很大的经济价值。因此，减阻技术不仅具有很高的经济价值，面且具 有很重要的军事价值。当前的减阻技术的研究潜力巨大，各国都在积极开展这方 面的研究工作。 1 2 降低粘性摩擦阻力的方法 当前降低粘性摩擦阻力的方法主要有以下几类： 一、壁面添加其它物质： ( ) 微气泡减阻方法：微气泡减阻方法是在壁面引入微小的气泡，是微气泡 和水混合形成气液两相流，从丽减小水下航行器的表面摩擦阻力。国外学者早在 1 8 世纪就开始研究船体和水的边界之间注入一层空气，减小表面摩擦阻力。俄罗 斯学者m i 西r e n k l 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 i 册之间；气泡体积浓度在1 九0 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 。n k m a d a v a n 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【i 】。 ( 二) 高分子溶液减阻：1 9 4 8 年t o m s 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，这一发现曾引起轰动。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。大连理工学 院陈瑞芳及浙江大学吴嘉等曾采用二维激光d o p p l e r 测速仪，研究了聚丙烯酰胺 ( p ：a m ，平均相对分子质量5 0 0 万) 稀溶液在方形管内减阻流场中脉动流速的时间相 关系数变化规律，发现自相关系数随减阻率的增加而增大：在相同流量和聚合物 质量分数下，管道横截面处脉动流速的自相关系数随管壁距离的变化而变化。结 果表明：在减阻情况下，聚合物溶液的质量分数越大，减阻能力越大，相关系数 也就越大，即流体表现为粘弹性流体弼。 2 西北工业大学硕士学付论文第章绪论 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。 迄今位置，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。 二、边界层控制： 对边界层的控制就是设法推迟或避免边界层转捩，延长层流边界层的方法。 这种方法对降低航行器的粘性摩擦阻力有显著的作用。同样的雷诺数下，湍流摩 擦阻力系数要比层流摩擦阻力系数大3 5 7 o 倍。具体控制边界层的方法有： ( 一) 弹性壁面法：自从2 0 世纪6 0 年代融m e r 利用“人造海豚皮”进行柔 顺壁湍流减阻试验以后，许多学者深入进行了理论和实验研究。沃里克大学的 l u c e y 等研究了柔顺壁的转捩延迟作用。从理论上证明心锄e r 柔顺壁具有充分的 转捩延迟作用。他们的数值模拟结果与g a s t e r 在1 9 8 7 年进行的一系列水池拖曳实 验结果相吻合。国内南京航空航天大学的张庆利等进行了用主动柔顺壁运动控制 边界层转捩的实验研究。结果表明边界层转捩过程中的扰动即使已发展到非线性 阶段，也能被主动柔顺壁的运动所控制。俄罗斯学者k “i c k 和s 锄o n o v 研究证明 柔顺壁能有效地降低表面摩阻和流动噪声，降幅可达到1 7 。诺丁汉姆大学的c h o i 对其结果进行了一系列的验证试验。结果表明其中一种柔顺壁在整个测试流速范 围内，湍流减阻可达7 ，相应的柔顺壁下游的表面摩擦力下降7 ，壁压波动强度 减弱1 9 。柔性壁面减阻的机理至少有以下原因：一是由于边界波动推迟了层流 边界层流态的转捩，使得附面的层流流态更加稳定；二是由于边界柔性效应减小 了边界面上的牛顿剪切应力，即减小剪切应力做功所消耗的能量。根据 m o h 疋o u i o m b 定律，柔性壁面在物体相互滑动的过程中，非光滑接触减小了界面 实际接触的面积。同时由于界面间的移动柔性、转动柔性、波动柔性和振动柔性 等共同作用，减低了彼此间能量传递的速率。 ( 二) 壁面吸入法：壁面吸入法是沿壁面吸入少量流体，使层流流动延长，同 时使边界层流动趋于稳定，推迟湍流转捩的发生。b r a s i o w 等人曾试验在壁面连续 吸入流体的方法，使机翼转捩雷诺数大为提高，达到2 o 1 0 7 才发生转捩。 ( 三) 壁面加热和冷却法：考虑到空气温度降低l 。c ，粘性系数降低约0 2 ； 而水温每增加l ，粘性系数约降低2 ，故在水中通过壁面加热对推迟转捩和降 低阻力更为有效。l a u c l l l e g 岫e y 对回转体壁温增加2 5 c 左右，转捩雷诺数达 到4 5 1 0 6 3 ，6 1 0 ，进一步说明在水中通过壁面加热是一种有效的推迟转捩减 小阻力的方法，然而在实际应用中最大的障碍仍然是水中有大量微粒存在，将直 接影响其效果。 两北= 厂业大学硕十学竹论文第一章绪论 ( 四) 空化减阻法：在液体中，当压强降低到某一临界压强以下时，就会产生 空化泡，这种现象称为空化现象。空化现象最早发现于1 8 9 1 年，当时英国一艘驱 逐舰在做高速试航时，发现其螺旋桨推进器叶片被剥蚀，以后又在水力机械( 水 泵、水轮机等) 的叶片上也发现了类似的情况。许多学者开始对空化问题进行深 入研究。除了避免和预防空化现象带来的危害，合理有效的利用空化现象成为目 前的研究课题。在水下航行器中，合理的利用空化可以有效地减小航行器的表面 摩擦阻力。在航行器外表面形成空气泡，将航行器包裹在空气泡中，使自由来流 不与航行器表面直接接触，有效的减小了表面摩擦阻力。 除了如上所述的边界层控制减阻方法外，还有壁面流体薄层沸腾、物形法、 壁面引射气体或低粘性液体等等减阻方法也属于边界层控制法。 三、脊状表面减阻： 海洋生物长期生活在水中经过漫长的岁月，进化出了效率很高的游动机 构，其表面摩擦阻力也相当的低。因此通过仿生学的研究，设计出减阻效果更好 的结构，一直是学者很感兴趣的问题。 图1 1 鲨鱼皮表面【3 l 图1 2 海豹皮表面嘲 4 西北工业大学硕士学位论文第一章绪论 图1 3 贼欧的翅膀嘲 ( 一) 条纹沟稽表面减阻技术：条纹沟槽表面减阻技术是一种近来兴起的新的 减阻方法。利用条纹沟槽表面减阻方法首先是从仿生学的研究开始的。该技术是 在物体表面加工顺流向的条纹沟槽的方法来实现减阻目的的。条纹沟槽表面有v 型，u 型、锯齿型等多种形状( 图1 ，4 ) 。国外在这个方面研究上已经进入了比较成 熟的阶段，国内从9 0 年代初开始这方面的研究。 图1 4 条纹沟槽表面几何形状与流动关系 ( 二) 随行波减阻技术：这种技术是从沙漠里长期经受大风洗礼的波浪状沙丘 得到的启示。这说明这种稳定的波浪状结构可能是阻力最小的外形。从7 0 年代开 始，许多学者开始迸行随行波理论的研究。在物面上沿流动方向做成波浪状，这 种波浪状结构使得在一定的流动条件下，在波谷能够产生二次流动漩涡。特定参 数的随行波能够使这种二次流动稳定下来，使得自由来流不与物体壁面直接接触， 而只与二次流动接触( 图l ，5 ) 。这种二次流动可以比拟成在物体表面上的滚珠轴承， 自由来流在滚珠轴承上滚动，根据已有的数值计算结果，保持这种二次流动所消 耗的能量与湍流边界层的能量消耗相比，涡系的能量消耗仅是湍流边界层的l 8 ， 因此减阻的潜力十分巨大。 西北t 业大学硕十学 奇论文第一章绪论 、7 、， o 曩攫 图1 5 随行波的几何形状和流动演示 随行波减阻对材料要求只是硬制，关键是周期起伏不平的形状设计，好的设 计使得表面起伏形状一致于随行波形状，且在表面起伏的波谷中留驻漩涡，不出 现层面上的漩涡飘散现象1 4 ) 。不过，随行波减阻技术在工程上应用的还很不够成熟， 需要进一步开展随行波方面的相关研究。本文将对此类问题，从流动特性，减阻 特性，结构优化等方面进行深入地研究。 1 3 降低粘性摩擦阻力方法的比较 上述一、二类方法虽然在机理上可行，减阻效果也比较明显，但是在水下航 行器上应用都需要较大地改变航行器的结构、外形，要么需要增加特殊的设备。 例如：壁面加热法，由于必须提供热源，往往需要改变原先的设计方案，这给早 期航行器的改进带来不可逾越的困难；又如表面涂高分子材料方法，其存放与维 护均复杂，在实际应用中很难提高效率；又如空化减阻方法，其产生的空化噪音 对自导装置也是一大挑战等等，这些因素都严重阻碍了其向工程实际应用的脚步。 与这些减阻技术相比，脊状表面减阻技术具有很多独特的优点：( i ) 容易在已有的 航行器上推广应用，该技术不需要改变航行器结构、外形，因此要在现有的航行 器上推广使用没有大的技术难点，也不会影响其它方面的优点；( 2 ) 技术简单可行， 不需要增加辅助设备，仅通过在表面粘贴具有脊状结构的薄膜或在航行器表面直 接加工一定尺寸的脊状结构即可；( 3 ) 从已有数据表明，条纹沟槽表面具有1 0 的 减阻效果，另外还有约3 d b 的降噪量；( 4 ) 性能稳定，减阻降噪效果不受航行器在 水下航行的时间长短、航深、水温变化以及存储环境的影响；( 5 ) 使用范围广，不 仅可以在水下航行器上使用，而且在工业生产和水上运动项目等方面都具有广泛 的应用前景；( 6 ) 该技术的价格低廉，只需要进行航行器壳体表面的处理，无论是 表面贴膜还是直接加工价格都很低廉。 6 西北【业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 脊状表面减阻国内外研究状况 五十年代末开始，s t a n f b r d 大学用流场显示技术对湍流边界层展开了一系列的 研究，随后又有许多其它的类似实验都发现在粘性底层内的流动与通常所认为的 层流的观念完全不同，并进一步证实了近壁区有湍流猝发现象。所有这些发现都 引导人们试图采用某种表面来影响湍流边界层近壁区的这种流动结构。最先尝试 的是s t a n f b r d 大学的l i u ，i n e 和j o h f l s o n ( 1 9 6 6 ) 。随后的很多实验也都是围绕“采 用某种不平坦表面来较小摩擦阻力”这一思想来展开的。1 9 6 5 年克拉默研究海豚 运动，可看作是对条纹沟槽表面研究的起点。1 9 6 7 年乌克兰基辅水动力学研究所 的摩科洛夫研究了涡屏蔽，提出了条纹沟槽表面降低水动力阻力的可能性机理， 并正是提出了“曲l e t s ”这科学词汇。1 9 7 0 年他与萨夫钦科进行了粘性流体沿着 条纹沟槽流动的实验与理论研究，取得了明显的降阻效果。直到1 9 8 2 年，德国的 r e i f 和d i n s k e l a c k e r 等人发现了鲨鱼表皮上有沿着身体纵向的脊状结构；1 9 8 5 年 他们有发现这些脊状结构之间的距离在不同鲨鱼种类之间是不同的，鲨鱼游得越 快则脊状结构间距就越小，并对鲨鱼皮的观测引发的系列研究工作也得到了类 似的结论；与平滑的平板相比较，纵向加条纹薄膜表面的湍流剪切应力减少了 4 7 。从此便开始了真正的条纹沟槽表面减阻研究。 十多年以来，人们已经证实改变光滑表面的形状可以减小湍流边界层的粘性， 早期的研究集中在亚音速和音速的外部湍流流过简单外形，如平板。虽然脊状表 面增加了沾湿面积，但是净减阻量为1 0 。第一个研究条纹沟槽减小湍流边界层 阻力的是w a j s h ，w i l s h 和他的团队成员在n a s a 研究中心研究了不同形状的沟槽， 在这些结构中v 型沟槽是，且i l ，j = 2 的沟槽具有最佳的减阻效果，这一结论后来 得到了多方的证实。对于内流流场也得到了与外流相类似的结果，这其中大部分 的实验都集中在管流。喷流实验中，只有一例成功报告，来自f a n ge t a l ，报告中说 有大于1 0 的减阻量，且射流的角度变化对减阻效果影响不大【5 】。 对于超音速流的条纹减阻，仅局限在少数外流流场的实验。r 0 b i n s o n 分析了 马赫数为2 9 7 下条纹表面的湍流结构，虽然并没有证明可以减小阻力，但是证明 了在边界层的缓冲带，湍流强度的波动得到了减小。g a u d e t 研究了马赫数为1 2 5 时沟槽对平板的影响。c o u s t o i se t a l 经过初步的研究发现，在马赫数为1 9 时，最 大的减阻量接近l o 。其他一些在圆柱表面的沟槽研究表明，马赫数在1 6 - 2 5 之 间变化时，减阻量为4 5 。 近些年来的研究不只是局限在简单结构的表面，例如，飞机的引擎机舱，机身， 机翼表面的条纹沟槽的研究。风洞实验均是亚音速和音速条件下。这些实验的结 7 西北丁业大学硕士学位论文第一章绪论 果进一步证实了先前的平板实验1 6 j 。 最佳的减阻结构为矿= 1 3 ( 矿= ，矗) ，在矿 2 5 时减阻效果消 失甚至会增阻。r o i l re ta l 研究了条纹沟槽表面的层流结构，发现表面摩擦力并没 有明显的减小：d e n i d ie “研究了低速平板流动，发现在层流区沟槽的影响可以 忽略不记。很少有实验研究过渡区的沟槽影响，只有两例实验对其进行了研究， 但得出了相矛盾的结果。n e w m 锄和d i n k e l a c k e r 用回转体在水洞中进行了实验， 结果表明：沟槽可以延缓湍流结构的形成，他们认为足由于条纹沟槽可以推迟层 流向湍流过渡。但是l a d de 诅l 在水洞中进行了平板实验，他们的结论是：沟槽加 速了层流边界层向湍流边界层的转变。 ，八一 l o 伽的流动发展阶段。计算域的高度 选择方面，考虑到在l o 倍于脊状高度时，速度已经稳定，所以最终确定的计算域 如下图所示： 图2 1 3 脊状表面计算域示意图 另外，为了和脊状作比较，按照脊状的尺寸，建立了一个平板模型，模型示 意图如下： 2 7 本章小结 型 1 5 叫 h 1 5 d j 图2 1 4 平板计算域示意图 本章建立了雷诺平均n a v i * s t o k c s 方程+ 湍流模型的数学方程，并且为了更 准确地模拟计算湍流边界层近壁区内的流动状态，对近壁区进行了处理；在方程 的离散方面，运用了二阶迎风格式保证了运算的精度：运用了s i m p l e c 方法使 得计算更能较真实地模拟出脊状表面流动特性。 西北工业大学硕十学位论文第二章脊状表面减阻特性研究 第三章脊状表面减阻特性研究 为了搞清脊状结构减阻机理，在各国目前包括沟槽上部及内部的数值计算，微 观结构的观测技术，细节测量都在进行当中。目前有两种说法，一种认为脊状结 构影响了湍流形成的过程；另一种基于粘性理论。两者的共同点是都认为减阻仅 在湍流边界层的内部有效，使粘性底层厚度加厚。本章将针对数值计算的结果对 减阻机理进行深入地分析。 3 1 近壁区湍流相关结构模型 i n e 等人【l3 】的实验可以说是开创性的工作。引起了湍流研究工作者的极大注 意，并且从各个方面证实了这一发现是可信的。继而根据实验结果、涡形成机理 和近壁区表面引力场特性，提出了近壁区湍流相关结构模型。 由于固体壁面存在表面引力场，对流过其上的液体会形成吸附作用，再加上 固体壁面的不均匀性，便使得位于过渡层和对数律层交界区域内的近壁区临界剪 切面非常不稳定，呈现出不规则波动。一经受到壁面和流场的扰动，起伏便更加 显著。临界剪切面上下的随后演变情况如图3 1 所示，一拉一缩卷，便破裂成一个 个的旋涡，即初始剪切涡。 ，告兰= 土 曷纱o ! 一了二 窀偷 、 图3 1波状悔界剪切面形成初始剪切涡 初始剪切涡在向下游运动的过程中，逐渐发展成马蹄型涡，如图3 2 所示。由 于自感效应，马蹄型涡在自身的形成过程中，逐渐演变成一个横向涡和一个顺流 向的反向旋转涡对。横向涡在沿流向运动的同时，逐渐向上提升，其前缘的诱导 速度场明显地形成脉动入流( 下抛流) 。而顺流向的反向旋转涡对则在涡环内侧形成 脉动出流( 上抛流) ，如图3 3 所示。 西北t 业大学硕士学位论文第三章脊状表面减阻特性研究 图3 2 近壁区湍流猝发过程及“马蹄形”涡环的生成演示 图3 3 前后两个马蹄型涡环的排列投影图 在横向涡前缘所形成的脉动下抛流在近壁区分成两股：一股在逆流而上的过程 中，逐渐减慢速度而成为低速流带；另一股脉动下抛流则在顺流而下的过程中， 逐渐加快速度，成为高速扫掠流。这导致对于由下游低速流带发展起来的猝发区 域的扫掠。 在由横向涡和顺流向反向旋转涡对组成的涡环内侧的脉动上抛诱导速度场的 作用下，低速流带沿流向缓慢提升。低速流带在被提升过程中，不断受到脉动的 上抛诱导速度场和下抛诱导速度场及其周围初始剪切涡的脉动作用，再加上临界 剪切面的不稳定发展过程的影响，使得低速流带不仅上升速度逐渐加快，而且振 荡也迅速增强。 当低速流带加速提升到接近不稳定的临界剪切面时，振荡加剧，并突然向上 喷射而破裂，从而产生湍流猝发。伴随猝发而产生的压力波在整个边界层内传播。 3 2 近壁区地湍流猝发现象 早在5 0 年代，就有学者证明了近壁区和湍流的关系：约有8 0 的湍流能量产 3 3 西北r 业大学硕十学位论文第三章脊状表面减阻特性研究 生和耗散于此区内。然而由于这一区域极薄，难于进行实验观察，因而很长一段 时间内，人们关于这个区域如何对边晃层湍流发生重大影响的机理知之甚少。直 到1 9 6 5 年，k l i n e 等人用氢气泡观测技术对近壁区作了较为细致的观察后，才获 得了关于此区域流动的较清晰图像。实验发现，在近壁区有湍流猝发现象。随后， 又有许多类似的其它实验都证实了这一点。猝发过程大致分为以下五个阶段： ( 1 ) 在粘性底层形成低速流带( 也称低速条带) ：通过显示技术的观测，发现在 粘性底层内的流动与通常认为的层流的观念不同：在此层中的流动并非示一种二 维稳定的流动，而是具有湍流的三维不稳定流。并出现顺流向高低速相闯的流带， 其中高速流带的宽度要比低速流带的大得多，如图3 4 所示。 图3 4 氢气泡显示速度分布 ( 2 ) 低速流带上升：在广1 0 的区域内，低速流带经一段路程的缓慢顺流而下 后，开始离开壁面上升。当达到离壁面一定高度( 旷a 1 0 ) 时，突然急剧上升，同 时向下游运动。由于这一过程降低动量流体带离了壁面，相应地在瞬时速度分布 曲线上便形成一个带拐折的凹坑，如图3 5 所示。 图3 5 速度分布曲线出现拐点 ( 3 ) 振荡：由于拐折的不稳定性，振荡迅速增长，这种振荡主要以流向涡旋 的形式出现，可持续3 l o 个周期，如图3 ，6 所示。 西北丁业大学硕七学何论文第三章脊状表面减阻特性研究 图3 6 猝发过程示意图 ( 4 ) 破裂：旋涡向下游运动时，尺度和强度都不断增大，直到最后破裂，以 一种更为紊乱的形式结束了有秩序的振荡，如图3 7 所示。 v 譬、o i 怂裂嚣篱契 vlc 、r ，b破裂消失 一n 、二l ( _ 产y + 。1 2 3 0 ) 议妒啄孽 矧一 o 低速流带缓慢提升 c ) ( y + 8 ) ( ) 图3 7 近擘区低速流带的各发展阶段 ( 5 ) 扫掠：当破裂结束时，一股流体从上游以近似于当地法向平均速度，如 t 同扫荡一样流入振荡和破裂区，以高速扫掠的形式带走了残余的低速流带。 猝发过程就这样完成一个循环。这种循环周而复始，并且出现的位置和时间 都是随机性的。正是这种间歇性的周而复始的低速流体向外喷射、高速流体向内 涌入的过程，产生了整个边界层的大部分湍流。 3 3 脊状表面湍流边界层减阻特性 本节对上一章的计算结果进行了深入地分析，从速度分布，粘性底层厚度，摩 擦阻力系数，及湍流强度的角度全方位对脊状表面和平板表面的湍流边界层漉场 进行了比较，并在此基础上研究了脊状表面减阻机理。 西北工业大学硕士学位论文 第三章脊状表面减阻特性研究 3 3 。1 速度分布比较 图3 8 来流速度5 s 时半圆形脊状表面流场 图3 9 来流速度5 m s 时半圆形脊状表面流场速度矢量图 图3 1 0 来流速度5 m s 时平板表面流场速度矢量图 。“”“警菡” 图3 n 来流速度5 m f s 时脊状表面于平板速度分布图 3 6 ：。 y 西北工业大学硕士学位论文第三章脊状表面减阻特性研究 图3 8 的速度云图和图3 9 的速度矢量图中可以很明显地看出，由于脊状结构 的存在改变了脊状表面近壁区的流场特性。脊状与流场相互作用，在脊状波谷中 形成稳定的低速漩涡。这些涡的大小、形状和位置基本相同，并且这些涡的上部 与来流方向相同，在涡的下部与之相反。成顺时针方向；这些涡稳定在波谷，没 有向周围扩散，互相之间无影响，形成了“第二涡群”。在脊状表面沿x 方向上 一点，沿y 方向取一条线段，并在平板的对应位置上取一条相同的线段，此点雷 诺数满足r e = 5 7 1 0 5 。图3 1 1 就是这两条线段上的速度分布。从图中可以看出， 脊状的速度梯度明显要比平板的小，根据公式r = a 砂可以说明脊状面边界层内 的剪切应力比平板小。由近壁区相关湍流结构模型可知，反向漩涡对在湍流的猝 发中起到了关键的作用，而剪切力对反向漩涡对的形成有重要的作用，剪切力的 减小也可以削弱反向漩涡对的强度。存在于脊状波谷内的低速漩涡减小了剪切力 进而使得流向涡对的强度逐渐减弱，使本来强度较大的流向涡对强度减小，本来 强度较弱的流向涡对消失，从而抑制了流向涡对在展向集结低速流体的能力，使 低速流带缓慢上升，低速带条向外层的猝发不会像光滑表面情况下那样频繁而剧 烈。这一方面意味着湍流猝发场所的减少，另一方面意味着近壁区内流动不稳定 性的减弱，而流动不稳定性正是近壁区低速流带向外层猝发的根源。这些涡的存 在使得自由来流不与壳体表面接触，而是在平行人工涡上流动，起到了类似“滚 动轴承”的作用。 3 3 2 粘性底层厚度 粘性底层实际厚度彤为粘性底层与过渡层的交点到零点的距离。但由于过渡 层很薄，而且流动情况较为复杂，在实际计算中本文忽略了过渡层。从时均流速 分布图中找出符合“+ = y + 的上限值，即为粘性底层厚度。 3 7 西北工业大学硕士学位论文第三章脊状表面减阻特性研究 a 脊状均流速分布图 b 平板时均流速分布图 图3 1 2 来流速度7 r n ，s 平板与脊状与平板时均流速分布图 在两个模型的对应位置取5 个点，得到平板和脊状粘性底层厚度的平均值，其 中脊状为1 1 6 5 ，平板为9 7 6 。由此可得脊状表面的粘性底层厚度比平板明显增大。 b e c h e n 和h o p p e “1 认为沟槽的作用是使底层流向涡与壁面有了一定的距离，槽底的 部分流体类似于润滑剂，这相当于增加了粘性底层的厚度，从而减少了摩擦。图3 1 2 为在平板和脊状的同一点( x = 0 ，9 5 埘掰) 处y 方向上得到的时均流速图。如图所 示，脊状的对数律层比平板上移了一段距离，这样同一位置处的流速比平板要大。 这显然是阻力减小的结果。 西北丁业大学硕士学位论文 第三章脊状表面减阻特性研究 3 3 3 壁面剪切应力 图3 1 3 为脊状表面和平板表面的对应位置上的剪切应力比较图。从图中可以 看出，脊状的两个尖角处剪切应力最小，进入脊状表面后，剪切应力不断增加， 在脊状出口尖角的边缘处达到最大，接着急剧变小。而且脊状内部的剪切应力变 化比较大，这是由于此处存在有低速涡，它的流动使得脊状的壁面速度变化比较 大，从而影响了剪切应力。相反，平板的剪切应力变化却非常小，如图所示，平 板几乎是一条直线。但是，从整体上看，脊状表面的剪切应力要比平板小的多。 平均壁面剪切应力比平板的减小了2 6 9 ，根据公式d = f o 出可得沿程阻力， 巩i ，= o 0 0 6 5 7 n ，d 咖蛔= o 8 3 4 4 n ，比平板阻力减小了2 7 。 w a l l 8 l ”a r $ n 黜3 ( p a j x 恤啪) 图3 1 3 来流速度7 m s 时脊状与平板剪切应力图 3 3 4 局部摩擦阻力系数 图3 1 4 为在脊状表面沿y 方向取一条线段，对应地在平板表面取一条线段得 到的摩擦阻力系数的比较图，从图中可以看出，脊状表面与平板表面的摩擦阻力 系数变化的趋势相同，但是脊状整体要比平板小。 西北工业大学硕士学位论文 第三章脊状表面减阻特性研究 oo 0 0 5 0 0 1 50 0 2 5o 0 3 5o ，0 4 y ( 量孤) 图3 ，1 4 来流为8 m s 的局部摩擦阻力系数 表1 为一个半圆形脊状脊状和平板的对应位置上沿壁面的摩擦阻力系数，由于 在壁面处网格的划分很密集，所以计算后导出的数据很多，将相邻的几个值取 平均得到了表中较整齐的数据，其中c 厂；望盘二垡i g 。1 0 0 。从表中可以看出 v f 扳 脊状表面不同位置的局部阻力摩擦系数变化比较大，平板则变化很小，但是，脊 状较平板几乎每一点都有减小，最大减小发生在尖角处，其它位置的减阻量有所 减少，总