CN110096749B - 基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法 - Google Patents

基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法，具体为：(1)建立模型：建立不同微结构表面上的流体模型，根据微结构参数调整流体模型；(2)网格划分：在Ansys的Icem模块中打开流体模型并进行网格划分，得到mesh文件；(3)求解运算：打开mesh文件，选择计算模型和施加边界条件后，求解得到case文件；(4)导出数据：将case文件中的数据导出，输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据；(5)处理数据：对上一步数据进行处理，对比光滑表面与微结构表面的压差值，计算得到减阻率，绘制数据图；(6)分析评价：对数据图形进行分析，寻找不同微结构表面的减阻规律，评价其减阻效果。

Description

基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法
技术领域
本发明涉及一种表面减阻技术评价方法，尤其涉及一种基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法。
背景技术
自然界中，滚动水滴的荷叶，凝集露珠的蝉翼，穿梭如飞的鲨鱼，这些现象像我们展示了一种奇特的表面浸润现象。这种独特浸润性的表面与水的接触角大于150°，滚动角小于10°，被称为超疏水表面。大量研究表明，超疏水表面具有良好的减阻效果，可以运用于海上运输、医疗器械、管道运输等行业。例如，在船舶、潜艇上运用超疏水技术，可以有效提高航行器的行驶速度，降低能源的使用；在机械心脏瓣膜和人工心血管支架上制备超疏水表面，可以避免凝血现象的产生，减少抗凝药物的使用，既避免了药物对人体的损害又减少了生产药物对自然的污染；在输油管道内构建超疏水微结构，可以提高石油的运输效率，减小泵站的功率和运输过程中能量的损耗，节省能源。因此使用超疏水技术能有效地降低能源的消耗，减少对环境的污染，非常贴合绿色生产的理念。
目前，超疏水表面减阻效果的评价方法一般是通过先实验制备样品再测试减阻性能方式。这种评价减阻效果的方法成本高、实验周期长不易评价减阻效果、难以获得表面形貌对减阻效果影响规律，难以获得实际运用。采用Fluent数值模拟的方式去模拟微结构表面的流场分布情况，可以清晰明了的观察表面的减阻效果，并且可以通过详细的数值来表示不同微结构表面的减阻率，效率高且成本低，非常适合对微结构表面减阻效果的评价。
目前中国专利申请号为CN200910264029.X的专利公开了基于流体边界控制的超疏水表面流体滑移定量测量方法，首先将制备出超疏水表面装夹于流变测试平台上进行流变测试操作,并在同样的测试条件下对光滑疏水表面上的流体进行流变测试操作,获取两种情况下流体处于相同剪切速率时施加在夹具上的扭矩,并根据测量扭矩计算出滑移长度，依次作为衡量减阻效果的方法。申请号CN201110396837.9的专利公开了一种减阻超疏水涂层及其制备方法，用制备出的超疏水表面在水槽中滑行，计算其滑行所需时间，以此来判定表面的减阻效果。申请号为CN201610256387.6的专利公开了一种仿生超疏水表面制备及减阻的方法，将铜球经过腐蚀和修饰制备出超疏水表面，再使用高清相机拍摄超疏水表面入水后的超空泡现象来展现其减阻效果。申请号为CN201810358024.2的专利公开了一种表面沟槽结构的壁湍流阻力测试方法，制备多个试样，通过带有力传感器的物体驱动安装有试样的滑块，高速相机和力传感器记录滑块上升过程中的牵引力数值，获得牵引力与时间的变化曲线，测试其减阻效果。申请号为CN201810415652.X的专利公开了一种测量超疏水表面有效滑移长度的装置及方法，采用旋涡测速仪测量旋涡脱落速度，用处理器根据旋涡脱落速度求解有效滑移长度，以此作为衡量减阻效果。
上述几种方法均能通过实验方式评价微结构表面的减阻效果，但也存在一定问题，例如制备时间长，成本太高，优化工艺参数效率低等。因此，寻找出方法简单，成本低，效率高的超疏水微结构表面的优化设计方法显得尤为重要。
发明内容
1、本发明的目的
本发明针对现有技术中的上述不足，提供一种基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法可有效解决制备异形结构成本高、实验周期长不易评价减阻效果、难以获得表面形貌对减阻效果影响规律的缺点。
2、本发明所采用的技术方案
本发明提出了一种基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法：
(1) 建立模型：采用Icem、Cad和Caxa软件建立不同微结构表面上的流体模型，根据微结构参数调整流体模型；
(2) 网格划分：在Ansys的Icem模块中打开步骤(1)所建立的微结构表面上的流体模型并进行网格划分，针对不同的微结构形貌采用不同的网格，需定义模型的出入口和壁面部分，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后设置网格信息将划分的块与各个部分进行关联，圆形微结构采用O形网格，三角状微结构采用Y形网格，矩形微结构采用四边形网格，得到mesh文件；
(3)求解运算：在Fluent模块打开步骤(2)所得mesh文件，计算求解所使用的计算模型为层流Laminar和VOF模型，材料设置中添加液态水，相位设置中air为第一相，water-liquid为第二相，边界条件采用速度入口与压力出口；
(4) 导出数据：将步骤(3)所得case文件进行后处理操作，输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据；
(5) 处理数据：对步骤(4)所得数据进行处理，对比光滑表面与微结构表面的压差值，并采用(ΔP光-ΔP微)/ΔP光计算得到减阻率，采用Origin软件绘制数据图；
(6) 分析评价：对步骤(5)所得数据图形进行分析，寻找不同微结构表面的减阻规律，评价其减阻效果。
对于二维半圆凹坑状微结构表面的流体模型，所述的(2)网格划分步骤，使用Icem软件构建二维半圆凹坑状微结构表面的流体模型，先建立原点，再依次以原点为参考点建立节点。
更进一步，所述的(3)求解运算步骤，初始化过程：在Adapt中生成两个寄存器，定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1，monitors中计算收敛精度直至残差曲线收敛。
关键点数据的选取，即所述的(4) 导出数据步骤：输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据；即设置气液交界面以及模型中间二分之一部分的左右两条线作为数据输出的关键点，在plots中用XY plot方式输出交界面速度参数，在reports选项中选择surface intergal，类型选择为面加权平均值，输出压力为总压力，得到两条线上的加权平均压力值。
更进一步，所述的微结构尺寸为半圆凹坑状微结构表面，其凹槽宽与凸起宽的比值即周期间距A为50:1，减阻效果最高可以达到50%以上。
3、本发明的有益效果
(1)成本低廉。通过模型建立、网格划分，实现减阻计算，不需要传统优化设计所用的制备超疏水表面的设备和检测装置、只需要一台电脑设备即可准确地计算出减阻效果，成本非常低廉。
(2)周期短。不通过传统的制备样品-测试性能的方式来测量减阻效果，采用数值模拟的方式，求得表面的流场分布结果，导出并分析数据后得到减阻效果。
(3)易于获得表面形貌对减阻效果影响规律。通过改变微结构形貌以及网格划分方式，可获得不同形貌的微结构表面减阻规律。
附图说明
图1：实施例1微结构表面模型示意图。
图2：实施例2微结构表面模型示意图。
图3：实施例1中a=200μm周期间距A为50模型的速度云图。
图4：实施例2中a=200μm周期间距A为50模型的速度云图。
图5：实施例1中a=200μm周期间距A为50模型的压力云图。
图6：实施例2中a=200μm周期间距A为50模型的压力云图。
图7：实施例1凹坑状微结构尺寸参数与减阻率的关系图。
图8：实施例2三角状微结构尺寸参数与减阻率的关系图。
图9：不同形貌微结构尺寸参数与减阻率的关系图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，(1)建立模型：使用Icem软件构建二维半圆凹坑状微结构表面的流体模型，先建立原点，再依次以原点为参考点建立节点，整体尺寸为长为4mm，宽为1mm，微结构尺寸为凹槽宽a=200μm，凸起宽b=200/100/40/20/4μm, 凹槽深h=100μm。
(2) 网格划分：定义模型的左端为入口、右端为出口，其他为壁面，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后将划分的块与各个部分进行关联，关联完成后设置微结构处的网格类型为O型网格，在近壁面对网格进行加密处理，设置网格疏密Spacing为0.0001，生长率Ratio为1.2，确保计算的精确性，生成mesh文件，输出mesh文件时选择类型为2d；
(3)求解运算：计算求解所使用的计算模型为层流Laminar和VOF模型，材料设置中添加液态水，相位设置中air为第一相，water-liquid为第二相，边界条件采用速度入口与压力出口。初始化时在Adapt中生成两个寄存器，定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1，monitors中计算收敛精度调整为0.00001，运行计算直至残差曲线收敛，保存case & data文件；
(4) 导出数据：点开Graphics and Animations选项，在Contours和Vectors中查看保存速度、压力云图以及速度矢量图，在surface选项中设置气液交界面以及模型中间二分之一部分的左右两条线作为数据输出的对象，在plots中用XY plot方式输出交界面速度等参数，在reports选项中选择surface intergal，类型是面加权平均值，输出压力为总压力，得到两条线上的加权平均压力值；
(5) 处理数据：对比光滑表面与微结构表面的压差值，并采用(ΔP光-ΔP微)/ΔP光计算得到减阻率，采用Origin等软件绘制数据图。
(6) 分析评价：根据绘制的图形发现，微结构在周期间距大于等于5时具有良好的减阻效果。
本实施例微结构表面模型示意图如图1所示，本实施例中a=200μm周期间距A为50模型的速度云图如图3所示，本实施例中a=200μm周期间距A为50模型的压力云图如图5所示，本实施例微结构尺寸参数与减阻率的关系图如图7所示。
通过本实施例可以得到微结构尺寸参数对减阻效果的影响规律，当气液界面占总接触面比例升高时，减阻率不断提高，当微结构尺寸为200μm、凹槽宽与凸起宽的比值即周期间距A为5:1时，减阻效果明显可达34.9%，当周期间距A为50:1时，减阻效果最高可以达到55.3%。
实施例2
(1)建立模型：使用Icem软件构建二维三角状微结构表面的流体模型，先建立原点，再依次以原点为参考点建立节点，整体尺寸为长为4mm，宽为1mm，微结构尺寸为凹槽宽a=200μm，凸起宽b=200/100/40/20/4μm, 凹槽深h=100μm。
(2) 网格划分：定义模型的左端为入口、右端为出口，其他为壁面，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后将微结构处划分的块进行节点的调节，将十字形节点调节成Y形节点，调整完节点后的块与各个部分进行关联，关联完成后再微结构处设置Y形网格，在其他部位设置四边形网格，在近壁面对网格进行加密处理，设置网格疏密Spacing为0.0001，生长率Ratio为1.2，确保计算的精确性，生成mesh文件，输出mesh文件时选择类型为2d；
(3)求解运算：计算求解所使用的计算模型为层流Laminar和VOF模型，材料设置中添加液态水，相位设置中air为第一相，water-liquid为第二相，边界条件采用速度入口与压力出口。初始化时在Adapt中生成两个寄存器，定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1，monitors中计算收敛精度调整为0.00001，运行计算直至残差曲线收敛，保存case & data文件；
(4) 导出数据：点开Graphics and Animations选项，在Contours和Vectors中查看保存速度、压力云图以及速度矢量图，在surface选项中设置气液交界面以及模型中间二分之一部分的左右两条线作为数据输出的对象，在plots中用XY plot方式输出交界面速度等参数，在reports选项中选择surface intergal，类型是面加权平均值，输出压力为总压力，得到两条线上的加权平均压力值；
(5) 处理数据：对比光滑表面与微结构表面的压差值，并采用(ΔP光-ΔP微)/ΔP光计算得到减阻率，采用Origin等软件绘制数据图。
(6) 分析评价：根据绘制的图形发现，微结构在周期间距大于等于5时具有良好的减阻效果。
本实施例微结构表面模型示意图如图2所示，本实施例中a=200μm周期间距A为50模型的速度云图如图4所示，本实施例中a=200μm周期间距A为50模型的压力云图如图6所示，本实施例微结构尺寸参数与减阻率的关系图如图8所示。
通过本实施例可以得到微结构尺寸参数对减阻效果的影响规律，当气液界面占总接触面比例升高时，减阻率不断提高，当微结构尺寸为200μm、凹槽宽与凸起宽的比值即周期间距A为5:1时，减阻效果明显可达31.8%，当周期间距A为50:1时，减阻效果最高可以达到36.11%。
对比实施例1、实施例2以及其他微结构表面可以获得不同形貌微结构表面的减阻规律，如图9所示，凹坑状微结构易于形成气旋，具有最好的减阻效果，锯齿状微结构不利于空气存储以及气旋的生成，减阻效果最差。
以上对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。总而言之如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于：
(1) 建立模型：采用Icem、Cad和Caxa软件建立不同微结构表面上的流体模型，根据微结构参数调整流体模型；
(2) 网格划分：在Ansys的Icem模块中打开步骤(1)所建立的微结构表面上的流体模型并进行网格划分，针对不同的微结构形貌采用不同的网格，需定义模型的出入口和壁面部分，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后设置网格信息将划分的块与各个部分进行关联，圆形微结构采用O形网格，三角状微结构采用Y形网格，矩形微结构采用四边形网格，得到mesh文件；
(3)求解运算：在Fluent模块打开步骤(2)所得mesh文件，计算求解所使用的计算模型为层流Laminar和VOF模型，材料设置中添加液态水，相位设置中air为第一相，water-liquid为第二相，边界条件采用速度入口与压力出口；初始化时在Adapt中生成两个寄存器，定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1，monitors中计算收敛精度调整为0.00001，运行计算直至残差曲线收敛，保存case & data文件；
(4) 导出数据：将步骤(3)所得case文件进行后处理操作，输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据；所述的输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据；即设置气液交界面以及模型中间二分之一部分的左右两条线作为数据输出的关键点，在plots中用XY plot方式输出交界面速度参数，在reports选项中选择surface intergal，类型选择为面加权平均值，输出压力为总压力，得到两条线上的加权平均压力值；
(5) 处理数据：对步骤(4)所得数据进行处理，对比光滑表面与微结构表面的压差值，并采用(ΔP光-ΔP微)/ΔP光计算得到减阻率，采用Origin软件绘制数据图；
(6) 分析评价：对步骤(5)所得数据图形进行分析，寻找不同微结构表面的减阻规律，评价其减阻效果。
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于：所述的(2)网格划分步骤，使用Icem软件构建二维半圆凹坑状微结构表面的流体模型，先建立原点，再依次以原点为参考点建立节点。
3.根据权利要求2所述的基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于：所述的微结构尺寸为半圆凹坑状微结构表面，其凹槽宽与凸起宽的比值即周期间距A为50:1。
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