CN108999846B - 一种超疏水减阻肋条结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超疏水减阻肋条结构，其创新之处在于克服了传统肋条减阻效率不高的缺点，通过将传统肋条尖峰附近的局部增阻区表面加工成带微小翅片的超疏水表面，可在传统肋条减阻的基础上增加超疏水减阻的效果，最终增强肋条的整体减阻效果，该发明可减少流体机械工作时的表面摩擦阻力，具有广泛的应用前景。

Description

一种超疏水减阻肋条结构

技术领域

本发明涉及一种减阻肋条，尤其涉及一种超疏水减阻肋条结构，通过将其应用于各类流体机械表面，进而改变边界层的流动，达到减少摩擦阻力的目的，本发明的超疏水减阻肋条结构可广泛应用于航空、航天、航海、管道内流以及地面交通等多种技术领域。

背景技术

降低流体机械表面的摩擦阻力，一直是流体力学领域研究的热点。为此，科研人员尝试了大量的减阻方法，如肋条减阻、聚合物添加剂减阻、壁面振动减阻等，其中，肋条减阻技术以其结构简单、实用性强等优点获得了大量的关注。现有的减阻肋条包括多种结构形式，如三角形肋条、梯形肋条、刃形肋条、刃形肋条、半圆形肋条等，其中三角形肋条、梯形肋条是最常研究的传统肋条(如图1所示，其中s为相邻肋条间距，h为肋条高度，α为肋条尖峰角度)。现有技术中认为具有减阻效应的肋条必须具有锐利的峰脊且间距与低速条带间距存在某种关系，即当h⁺≤25和s⁺≤30( υ是运动粘度，u_τ是摩擦速度，τ_w是壁面剪切应力，ρ为流体介质密度，上标“+”表示以壁面单位无量纲化的参数)时具有减阻特性。

传统肋条减阻效果不明显是制约肋条减阻技术进一步发展的主要因素。对刃形肋条、三角形肋条和梯形肋条的减阻效果进行实验研究发现，刃形肋条具有最高的减阻效率，可减阻9.9％，梯形肋条减阻效率次之，可达8.2％，三角形肋条减阻效果只有5.1％。如果应用到实际工程中，由于环境的影响，肋条的减阻效果会进一步下降。因而现有技术中还出现了将三角形肋条和刃形肋条相互结合的新型减阻肋条，如中国专利CN201410061037.5(刘志丰等)，其通过在三角截面肋尖处增加一段刀刃肋条(如图2所示)，将肋条结构顺流向布置在流体机械表面，大大增强了减阻效果。但是上述专利并没有考虑到肋条表面不同位置的局部摩擦阻力分布和流场分布并不均匀这一问题，而追求将整个肋条表面制作成疏水表面，导致该肋条结构并不能达到最大的综合减阻效果。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，考虑到肋条表面不同位置的局部摩擦阻力分布和流场分布并不均匀，将整个肋条表面全部制作成疏水表面并不能达到最大的综合减阻效果这一技术问题，本发明旨在提供一种超疏水减阻肋条结构，通过对肋条表面的局部增阻区和局部减阻区进行不同的结构安排，将局部增阻区加工成带翅片的超疏水表面，局部减阻区保留原表面形状，从而进一步增强肋条的整体减阻效果。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种超疏水减阻肋条结构，包括流体壁面基础以及顺流向布置在所述流体壁面基础上的多个主肋，所述主肋的无量纲高度h⁺≤25，相邻两主肋之间的无量纲间距s⁺≤30，其中，h为主肋高度，s为相邻两主肋之间的间距，υ是流体介质的运动粘度，u_τ是流体介质的摩擦速度，τ_w是壁面剪切应力，ρ为流体介质的密度，

其特征在于，

所述主肋沿高度方向划分为局部增阻区和局部减阻区，所述局部增阻区位于所述局部减阻区的上方，所述局部增阻区靠近所述主肋的肋条尖峰，所述局部减阻区靠近所述主肋的肋条底部，且所述局部增阻区的高度为L₁，所述局部减阻区的高度为L₂，其中，L₁+L₂＝h，且L₁/h＜0.5，

仅在所述局部增阻区的主肋表面上设置多个等间距间隔布置的微翅片，各所述微翅片与所述主肋的长度延伸方向相同，且其中一个所述微翅片布置在所述主肋的肋条尖峰上，各所述微翅片的结构尺寸相同，所述微翅片的无量纲高度h'+≤5，相邻两所述微翅片之间的无量纲间距s'+≤5，所述微翅片的宽度t满足t/s≤0.05，其中，h′为翅片高度，s′为相邻两微翅片之间的间距。

本发明的上述超疏水减阻肋条结构中，对于临近肋条尖峰的局部增阻区，由于肋条尖峰附近阻力很大，且该区域附近流体为湍流状态，将该部分肋条表面加工成带微翅片的超疏水表面，通过微翅片的超疏水效果来改变湍流中的涡结构，使得肋尖附近的涡整体向上抬升，可减小该区域的摩擦阻力；对于临近肋条底部的局部减阻区，由于肋条底部附近阻力很小，且该区域附近的流体处于准静态，如果将该部分肋条表面制作成超疏水表面，会破坏该区域流体的准静态，同时壁面与流体接触面积增大，最终会导致该区域摩擦阻力增加，不利于肋条整体减阻效果的提升，因此，该部分区域不适合加工为超疏水表面，以保证肋条表面结构不变，维持该区域流体的准静态。本发明通过上述结构安排，使得可以在不影响主肋本身减阻的基础上加入超疏水表面的减阻效果，使得肋条的整体减阻效果得到进一步提升。

优选地，所述主肋为三角形肋或梯形肋。

优选地，所述局部增阻区的高度为L₁、局部减阻区的高度L₂，其具体值通过实验或数值模拟计算得到。

优选地，各所述微翅片以基本垂直于所述流体壁面基础的方式布置在所述局部增阻区的主肋表面上。

优选地，各所述微翅片基本与所述主肋等长。

优选地，所述流体壁面基础为一柔性薄膜，所述柔性薄膜粘附于流体壁面上。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种流体壁面，其特征在于，所述流体壁面上布置有本发明的上述超疏水减阻肋条结构。

优选地，所述流体壁面为飞机机身、机翼、襟翼等的外表面。

优选地，所述流体壁面为船体、潜艇等的外表面。

优选地，所述流体壁面为地面交通工具的外表面。

优选地，所述流体壁面为流体管道的内表面。

同现有技术相比，本发明的超疏水减阻肋条结构，通过将现有减阻肋条尖峰附近的局部增阻区加工成带有微小翅片的结构，使得该区域表面形成疏水的效果，导致肋尖附近的涡整体向上抬升，进而使得该区域摩擦阻力减小；在肋底附近的局部减阻区，保证肋条表面结构不变，维持该区域流体的准静态。这种结构可以在不影响传统肋条本身减阻的基础上加入超疏水表面的减阻效果，使得肋条的整体减阻效果得到进一步提升。

附图说明

图1为现有三角形和梯形减阻肋条的截面示意图，其中，(a)为三角形减阻肋条的截面示意图，(b)为梯形减阻肋条的截面示意图；

图2为现有三角形肋与刃形肋组合减阻肋条的截面示意图；

图3为本发明的超疏水减阻肋条的轴视图；

图4为本发明的超疏水减阻肋条垂直于流向的截面示意图，其中主肋为三角形肋结构；

图5为本发明的超疏水减阻肋条垂直于流向的截面示意图，其中主肋为梯形肋结构；

图6为本发明的超疏水减阻肋条应用于翼型上的示意图；

图7为本发明同图2所示的减阻肋条减阻效果对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

如图3～5所示，本发明的超疏水减阻肋条结构，包括流体壁面基础以及顺流向布置在所述流体壁面基础上的多个主肋100，所述主肋100为三角形肋或梯形肋，所述主肋的无量纲高度h+≤25，相邻两主肋之间的无量纲间距s+≤30，其中，h为主肋高度，s为相邻两主肋之间的间距，υ是流体介质的运动粘度，u_τ是流体介质的摩擦速度，τ_w是壁面剪切应力，ρ为流体介质的密度。

如图4、5所示，所述主肋100沿高度方向划分为局部增阻区和局部减阻区，所述局部增阻区位于所述局部减阻区的上方，所述局部增阻区靠近所述主肋的肋条尖峰，所述局部减阻区靠近所述主肋的肋条底部，且所述局部增阻区的高度为L₁，所述局部减阻区的高度为L₂，其中，L₁+L₂＝h，且L₁/h＜0.5。仅在所述局部增阻区的主肋表面上设置多个等间距间隔布置的微翅片200，各所述微翅片200与所述主肋100的长度延伸方向相同，且其中一个所述微翅片200布置在所述主肋100的肋条尖峰上，各所述微翅片的结构尺寸相同，所述微翅片的无量纲高度h'+≤5，相邻两所述微翅片之间的无量纲间距s'+≤5，所述微翅片的宽度t满足t/s≤0.05，其中，h′为翅片高度，s′为相邻两微翅片之间的间距。

本发明的上述超疏水减阻肋条结构中，对于临近肋条尖峰的局部增阻区，由于肋条尖峰附近阻力很大，且该区域附近流体为湍流状态，将该部分肋条表面加工成带微翅片的超疏水表面，通过微翅片的超疏水效果来改变湍流中的涡结构，使得肋尖附近的涡整体向上抬升，可减小该区域的摩擦阻力；对于临近肋条底部的局部减阻区，由于肋条底部附近阻力很小，且该区域附近的流体处于准静态，如果将该部分肋条表面制作成超疏水表面，会破坏该区域流体的准静态，同时壁面与流体接触面积增大，最终会导致该区域摩擦阻力增加，不利于肋条整体减阻效果的提升，因此，该部分区域不适合加工为超疏水表面，以保证肋条表面结构不变，维持该区域流体的准静态。本发明通过上述结构安排，使得可以在不影响主肋本身减阻的基础上加入超疏水表面的减阻效果，使得肋条的整体减阻效果得到进一步提升。

本发明可以制成柔性薄膜粘附于翼型表面，如图6所示。超疏水减阻肋条在翼型表面顺流向布置，肋条的具体参数和肋条所处的流场环境有关，气体流经翼型表面时，肋条结构改变了边界层的流动，影响了近壁区湍流动量的输运，而增阻区的超疏水翅片结构进一步减小了该区域表面对流体的粘性作用，最终使翼型表面的摩擦阻力减小。

本发明的超疏水减阻肋条结构，同现有技术相比，其整体减阻效果得到了明显提升。图7示出了本发明的超疏水减阻肋条结构，同例如图2所示的现有三角形肋与刃形肋组合减阻肋条相比，二者的减阻率的差异。图7中，减阻率定义为：其中，D_r为肋条表面阻力，D_s为光滑表面阻力。本发明的超疏水减阻肋条，其相关尺寸为s＝5mm，h＝2.75mm，每个肋条上布置布置七个微翅片，其中t＝0.1mm，h’＝0.35mm，s’＝0.25mm。现有三角形肋与刃形肋组合减阻肋条的相关尺寸为s＝5mm，h＝2.75mm，t＝0.1mm，h’＝0.3mm。计算域流向和展向采用周期性边界条件，上下壁面采用无滑移条件，其中上壁面为光滑表面，下壁面为肋条表面。流体介质为水，在超疏水肋条微翅片的凹槽内采用两相流模型，模拟肋条微翅片的超疏水效果。数值计算模型采用RNG k-e湍流模型，并增强壁面处理。入流条件为在x方向设置恒定的流率。本计算设置三个流率0.000399m³/s，0.000511m³/s和0.000657m³/s。对应的主流平均速度分别为0.82m/s，1.05m/s和1.35m/s。

从图中可以看出，由于超疏水减阻肋条增加了微翅片的疏水效果，在三种流速下两种形式肋条的减阻率，本发明的减阻率均得到进一步的提升。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超疏水减阻肋条结构，包括流体壁面基础以及顺流向布置在所述流体壁面基础上的多个主肋，所述主肋的无量纲高度，相邻两主肋之间的无量纲间距/>，其中，/>，/>，/>为主肋的高度，/>为相邻两主肋之间的间距，/>是流体介质的运动粘度，/>是壁面剪切应力，/>为流体介质的密度，

其特征在于，

所述主肋沿高度方向划分为局部增阻区和局部减阻区，所述局部增阻区位于所述局部减阻区的上方，所述局部增阻区靠近所述主肋的肋条尖峰，所述局部减阻区靠近所述主肋的肋条底部，且所述局部增阻区的高度为，所述局部减阻区的高度为/>，其中，/>，且/>，

仅在所述局部增阻区的主肋表面上设置多个等间距间隔布置的微翅片，各所述微翅片与所述主肋的长度延伸方向相同，且其中一个所述微翅片布置在所述主肋的肋条尖峰上，各所述微翅片的结构尺寸相同，所述微翅片的无量纲高度，相邻两所述微翅片之间的无量纲间距/>，所述微翅片的宽度/>满足/>，其中，/>，，/>为翅片高度，/>为相邻两微翅片之间的间距，/>是流体介质的运动粘度，/>为流体介质的密度；

各所述微翅片以基本垂直于所述流体壁面基础的方式布置在所述局部增阻区的主肋表面上；

各所述微翅片基本与所述主肋等长。

2.根据权利要求1所述的超疏水减阻肋条结构，其特征在于，所述主肋为三角形肋或梯形肋。

3.根据权利要求1所述的超疏水减阻肋条结构，其特征在于，所述局部增阻区的高度为、局部减阻区的高度/>、其具体值通过实验或数值模拟计算得到。

4.根据权利要求1所述的超疏水减阻肋条结构，其特征在于，所述流体壁面基础为一柔性薄膜，所述柔性薄膜粘附于流体壁面上。

5.一种流体壁面，其特征在于，所述流体壁面上布置有上述权利要求1~4任一项所述的超疏水减阻肋条结构。

6.根据权利要求5所述的流体壁面，其特征在于，所述流体壁面为飞机机身、机翼、或襟翼的外表面。

7.根据权利要求5所述的流体壁面，其特征在于，所述流体壁面为船体或潜艇的外表面。

8.根据权利要求5所述的流体壁面，其特征在于，所述流体壁面为地面交通工具的外表面。

9.根据权利要求5所述的流体壁面，其特征在于，所述流体壁面为流体管道的内表面。