CN109543362A - 一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构及其优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使表面具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构及其优化设计方法。首先使用计算流体力学(CFD)的方法，在构建出的流场区域内横向阵列仿沙丘微结构，通过雷诺平均数值模拟方法(RANs)结合Fluent求解器，以总压降为计算指标获得相应的减阻率，最终优化获得符合预期目标的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构参数。相较于传统仿生减阻微结构，本发明所提出的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构设计方法具有针对不同流场状态的普适性。此外，本发明提供的方法可以节约设计成本，缩短设计周期，减少设计损耗，为飞行器气动结构设计提供了一定的参考。
Description
技术领域
本发明属于表面减阻技术领域，特别涉及一种使表面具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计方法。本发明所设计的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构表面对减少飞行器在服役过程中的能量消耗，节约燃油资源有着重要的实践意义。
背景技术
目前，国家重大战略、国际航空市场需求已经引领我国民机制造业进入快速发展时期，面临进入国际民机市场巨大的挑战。我国民用大型客机C919、C9X9、民用支线客机ARJ21等对提高经济性、安全性、环保性有迫切需求。大型飞机的实际飞行统计数据表明，阻力与燃油经济性呈现密切关联。欧盟航空署和NASA等国际民航组织对未来大型飞机提出了更为严格的减排降噪环保要求，到2020年，大型飞机的设计将要求低重量、低噪声以及低阻力。因此，如何减少飞行阻力，是一个紧迫的工程问题。
以燃油消耗为表征的现代大型民用客机气动效率受到气动阻力的严重影响。巡航飞行中，机体表面的高量级摩擦阻力使得燃料消耗和碳排放量增加。传统民机减阻的技术途径是持续进行亚音速常规气动布局的优化和改型设计，从层流翼型开发应用和全机外形优化的外因角度降低全机飞行阻力。经过几十年的发展，大型民机总体气动布局相对稳定，且其气动设计方法日趋成熟。对欧美航空发达国家和波音、空客进行的渐进式改型飞机而言，飞机气动布局外形参数改进对降低油耗的贡献在1％-2％之间，标志着亚音速大型客机的气动设计进入了精细化时代。在当前气动设计水平下，大型客机进一步减阻的主要潜力集中在降低表面摩阻上。
目前，常规的飞机减阻技术已处于瓶颈阶段，表面微纳米结构技术的发展为解决气动减阻的紧迫性问题提供了一个全新思路。通过改变传统飞机表面结构的应用机制，实现对微流动影响的突破创新。从增强近壁流动稳定性和延长层流、延迟转捩的内因角度降低表面摩阻，带动总阻力的降低。其优势不仅表现为提高部件空气动力效率、推迟转捩和降低阻力的作用，且能对近壁的边界层底层流动形成疏导，降低层流底部摩擦阻滞、增强表面流动稳定，从而推迟边界层转移，扩大层流区域，减小湍流尺度，延迟空化产生，降低表面摩擦阻力。其中，仿鲨鱼皮微结构因其耦合了减阻、降噪、脱附、防护等多种生物机能，近年来已被人们广泛的应用于飞机、舰船、潜艇等多种大型装备的设计，解决了某些工程实际问题。然而，仿鲨鱼皮微结构的减阻效果更多的体现在液体减阻领域，对于空气减阻的效果并不理想。
发明内容
本发明的目的在于提出一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计方法，以减少飞行器在服役过程中的能量消耗，节约燃油资源，解决飞行器光滑表面在服役过程中风阻过大的问题。
针对现有仿生微结构空气减阻效果不佳的问题，本发明提供了一种新型的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构设计方法，其步骤如下：
1)基于计算流体力学(CFD)的方法，建立合适的流场几何模型及自行设计参数特征的仿沙丘微结构几何模型，并将微结构横向阵列于流场底面区域，微结构前后设置缓冲平板区，微结构几何模型如附图1所示，流场几何模型如附图2所示。
2)对于步骤1)中的流场模型，选用速度入口作为入口条件，出口条件选取为压力出口，其他边界条件选取为固定壁面。
3)采用Gambit软件进行对步骤1)中建立的微结构几何模型进行网格划分，如附图3所示。
4)采用雷诺平均数值模拟方法(RANs)对步骤3)中建立特定几何参数的微结构进行流场模拟分析。
5)采用Fluent求解器结合步骤4)中的模拟方法对微结构功能表面的减阻效果进行计算与分析，获得相应的减阻率。
6)通过不断调整微结构的几何参数，以给定的减阻率为优化目标，重复进行步骤1)-步骤5)的数值模拟过程，最终获得符合预期目标的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构参数。整体设计过程的工艺流程图如附图4所示。
具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构，相较于以往传统的仿生微结构而言，在空气减阻领域有着更为优异的性能。此外，该设计方法具有针对不同流场状态下的普适性，同时具有节约设计成本，缩短设计周期，减少设计损耗的优点，整体方法具有良好的针对性和灵活性。
本发明中，所述步骤1)中流场几何模型区域大小为15mm×15mm×45mm，其中前后两段缓冲区各占1/3，即15mm，中部微结构布置区域同样为15mm。
本发明中，所述步骤1)中仿沙丘微结构高度H设置为40-60μm均可，长度L设置为100-300μm均可，第一段圆弧圆心O1位于经微结构底面左侧端点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为20-30°均可，第二段圆弧圆心O2位于经微结构最高点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为25-35°均可，第三段圆弧连接微结构最高点与底面右侧端点，对应圆心角设置为80-90°均可，曲率半径设置为40-70μm均可。
本发明中，所述步骤2)中入口边界的边界类型设置为“Pressure Far-Field”，壁面边界的边界类型为“Wall”。
本发明中，所述步骤2)中在计算流场域顶部和平板前后，设置了对称边界条件，以防止侧壁干扰。
本发明中，所述步骤3)的网格划分过程中将微结构区域表面附近和远离微结构的区域划分开，设置为主要计算区域与远离微结构区域两部分；然后在主要计算区域中合理设置边界层，并对边界层进行适当的加密。主要计算区域选取较小的网格，远离微结构区域选择使用较大的网格。两者之间选用interface面进行连接。
本发明中，所述步骤4)中RANs方法在Realizable k-ε湍流模型的基础上进行。
本发明中，所述步骤5)中Fluent软件的流场参数设定为：流体介质为不可压空气，密度(ρ)为1.29kg/m3，温度(T)为288K，压强(P)为101325Pa，来流马赫数(M)为0.15-0.75均可，雷诺数(Re)为6.0×106-6.5×106均可，迭代参数步长设置为0.0004s，步数设置为10000步。
本发明中，所述步骤5)中减阻效果计算以总压降为计算指标，将微结构表面模型总压降和光滑表面总压降进行对比得到减阻率。
本发明提出一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构设计方法，基于雷诺平均数值模拟方法(RANs)，针对几何设计后的沙丘微结构以横向方式排列(结构垂直于流体流动方向排布)，并以Gambit软件对所建模型进行有限划分，采用Realizable k-ε湍流模型并结合Fluent求解器对微结构功能表面的减阻效果进行计算与分析，从而得到一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构，有利于缓解飞行器在服役过程中因风阻过大而导致的能耗过高的问题。该设计方法高效、灵活，所得到的微结构在飞行器减阻领域有着重要的应用价值。
采用本发明的方法制备的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计方法具有以下特点：
1)具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构设计方法具有针对不同流场状态的普适性。
2)具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构设计方法可以节约设计成本，缩短设计周期，减少设计损耗。
3)具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构设计方法对飞行器气动结构设计提供了一定的参考。
4)具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构设计方法可以用于航空航天等领域。
附图说明
图1为本发明中依照实施例1的方法所设计的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的几何模型示意图；
图2为本发明中依照实施例1的方法所设计的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构所处的流场几何模型示意图；
图3为本发明中依照实施例1的方法所设计的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的网格划分示意图；
图4为本发明中实施例1中所设计的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计工艺流程图；
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。
实施例1
本发明的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计方法如下：
第一步，建立区域大小为15mm×15mm×45mm的流场几何模型，在流场区域前后两段各设置15mm长的缓冲区，中部区域预留15mm以布置微结构阵列。
第二步，建立仿沙丘微结构几何模型，高度H设置为40μm，长度L设置为200μm，第一段圆弧圆心O1位于经微结构底面左侧端点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为25°，第二段圆弧圆心O2位于经微结构最高点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为30°，第三段圆弧连接微结构最高点与底面右侧端点，对应圆心角设置为85°，曲率半径设置为45μm。
第三步，将仿沙丘微结构横向阵列于流场区域中，将流场区域入口边界的边界类型设置为“Pressure Far-Field”，壁面边界的边界类型设置为“Wall”，在流场域顶部和平板前后，设置对称边界条件。
第四步，对仿沙丘微结构采用Gambit软件进行网格划分，将微结构区域表面附近和远离微结构的区域划为主要计算区域与远离微结构区域两部分，然后在主要计算区域中设置边界层并加密。主要计算区域选取较小的网格，远离微结构区域选择使用较大的网格。两者之间选用interface面进行连接以提高计算精度。
第五步，针对设定的流场及仿沙丘微结构，选择RANs方法，经光滑平板计算验证后，选择Realizable k-ε湍流模型，结合Fluent求解器进行流场分析模拟，其中Fluent软件的流场参数设定为：流体介质为不可压空气，密度(ρ)为1.29kg/m3，温度(T)为288K，压强(P)为101325Pa，来流马赫数(M)为0.2，雷诺数(Re)为6.0×106，迭代参数步长设置为0.0004s，步数设置为10000步。
第六步，以模拟得到的总压降为计算指标，将微结构表面模型总压降和光滑表面总压降进行对比得到减阻率为14％。
依上法可获得一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构。
实施例2
本发明的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计方法如下：
第一步，建立区域大小为15mm×15mm×45mm的流场几何模型，在流场区域前后两段各设置15mm长的缓冲区，中部区域预留15mm以布置微结构阵列。
第二步，建立仿沙丘微结构几何模型，高度H设置为50μm，长度L设置为250μm，第一段圆弧圆心O1位于经微结构底面左侧端点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为20°，第二段圆弧圆心O2位于经微结构最高点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为25°，第三段圆弧连接微结构最高点与底面右侧端点，对应圆心角设置为90°，曲率半径设置为50μm。
第三步，将仿沙丘微结构横向阵列于流场区域中，将流场区域入口边界的边界类型设置为“Pressure Far-Field”，壁面边界的边界类型设置为“Wall”，在流场域顶部和平板前后，设置对称边界条件。
第四步，对仿沙丘微结构采用Gambit软件进行网格划分，将微结构区域表面附近和远离微结构的区域划为主要计算区域与远离微结构区域两部分，然后在主要计算区域中设置边界层并加密。主要计算区域选取较小的网格，远离微结构区域选择使用较大的网格。两者之间选用interface面进行连接。
第五步，针对设定的流场及仿沙丘微结构，采用RANs方法在Realizable k-ε湍流模型的基础上结合Fluent求解器进行流场模拟分析，其中Fluent软件的流场参数设定为：流体介质为不可压空气，密度(ρ)为1.29kg/m3，温度(T)为288K，压强(P)为101325Pa，来流马赫数(M)为0.75，雷诺数(Re)为6.5×106，迭代参数步长设置为0.0004s，步数设置为10000步。
第六步，以模拟得到的总压降为计算指标，将微结构表面模型总压降和光滑表面总压降进行对比得到减阻率为16％。
依上法可获得一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构。
实施例3
本发明的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计方法如下：
第一步，建立区域大小为15mm×15mm×45mm的流场几何模型，在流场区域前后两段各设置15mm长的缓冲区，中部区域预留15mm以布置微结构阵列。
第二步，建立仿沙丘微结构几何模型，高度H设置为60μm，长度L设置为300μm，第一段圆弧圆心O1位于经微结构底面左侧端点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为30°，第二段圆弧圆心O2位于经微结构最高点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为35°，第三段圆弧连接微结构最高点与底面右侧端点，对应圆心角设置为80°，曲率半径设置为65μm。
第三步，将仿沙丘微结构横向阵列于流场区域中，将流场区域入口边界的边界类型设置为“Pressure Far-Field”，壁面边界的边界类型设置为“Wall”，在流场域顶部和平板前后，设置对称边界条件。
第四步，对仿沙丘微结构采用Gambit软件进行网格划分，将微结构区域表面附近和远离微结构的区域划为主要计算区域与远离微结构区域两部分，然后在主要计算区域中设置边界层并加密。主要计算区域选取较小的网格，远离微结构区域选择使用较大的网格。两者之间选用interface面进行连接。
第五步，针对设定的流场及仿沙丘微结构，采用RANs方法在Realizable k-ε湍流模型的基础上结合Fluent求解器进行流场模拟分析，其中Fluent软件的流场参数设定为：流体介质为不可压空气，密度(ρ)为1.29kg/m3，温度(T)为288K，压强(P)为101325Pa，来流马赫数(M)为0.45，雷诺数(Re)为6.3×106，迭代参数步长设置为0.0004s，步数设置为10000步。
第六步，以模拟得到的总压降为计算指标，将微结构表面模型总压降和光滑表面总压降进行对比得到减阻率为19％。
依上法可获得一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基于计算流体力学(CFD)的方法，建立合适的流场几何模型及自行设计参数特征的仿沙丘微结构几何模型，并将微结构横向阵列于流场底面区域，微结构前后设置缓冲平板区；
2)对于流场区域模型，选用速度入口作为入口条件，出口条件选取为压力出口，其他边界条件选取为固定壁面；
3)采用Gambit软件进行对建立的微结构几何模型进行网格划分；
4)采用雷诺平均数值模拟方法(RANs)对所建立特定几何参数的微结构进行流场模拟分析；
5)采用Fluent求解器结合RANs模拟方法对微结构功能表面的减阻效果进行计算与分析，获得相应的减阻率；
6)通过不断调整微结构的几何参数，以给定的减阻率为优化目标，重复进行步骤1)-步骤5)的数值模拟过程，最终获得符合预期目标的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构参数。
2.根据权利要求1所述的一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的优化设计方法，其特征在于：步骤1)中，流场几何模型区域大小为15mm×15mm×45mm，其中前后两段缓冲区各占1/3，即15mm，中部微结构布置区域同样为15mm。
3.根据权利要求1所述的一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的优化设计方法，其特征在于：步骤1)中，仿沙丘微结构高度H设置为40-60μm，长度L设置为100-300μm，第一段圆弧圆心O1位于经微结构底面左侧端点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为20-30°，第二段圆弧圆心O2位于经微结构最高点且垂直于底面的垂线上，对应圆心角设置为25-35°，第三段圆弧连接微结构最高点与底面右侧端点，对应圆心角设置为80-90°，曲率半径设置为40-70μm。
4.根据权利要求1所述的一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的优化设计方法，其特征在于：步骤2)中，入口边界的边界类型设置为“Pressure Far-Field”，壁面边界的边界类型为“Wall”，在计算流场域顶部和平板前后，设置对称边界条件，以防止侧壁干扰。
5.根据权利要求1所述的一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的优化设计方法，其特征在于：步骤3)中，网格划分过程中将微结构区域表面附近和远离微结构的区域划分开，设置为主要计算区域与远离微结构区域两部分。在主要计算区域中合理设置边界层，并对边界层进行适当的加密。主要计算区域选取较小的网格，远离微结构区域选择使用较大的网格。两者之间选用interface面进行连接。
6.根据权利要求1所述的一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的优化设计方法，其特征在于：步骤4)中，RANs方法在Realizable k-ε湍流模型的基础上进行。
7.根据权利要求1所述的一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的设计方法，其特征在于：步骤5)中，Fluent软件的流场参数设定为：流体介质为不可压空气，密度(ρ)为1.29kg/m3，温度(T)为288K，压强(P)为101325Pa，来流马赫数(M)为0.15-0.75均可，雷诺数(Re)为6.0×106-6.5×106均可，迭代参数步长设置为0.0004s，步数设置为10000步。
8.根据权利要求1所述的一种具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构的优化设计方法，其特征在于：步骤5)中，减阻效果计算以总压降为计算指标，将微结构表面模型总压降和光滑表面总压降进行对比得到减阻率。
9.根据权利要求1-8任一所述的优化设计方法获得的具有高效空气减阻功能的仿沙丘微结构。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |