CN111460699B - 平壁表面减阻功能微织构的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种平壁表面减阻功能微织构的设计方法，属于表面织构设计领域。根据气体流速，结合边界层理论，确定壁面剪切应力产生的区域，即黏性底层和对数律层中间的缓冲层。将尺寸进行无量纲化，计算缓冲层厚度，由此确定微织构高度的范围。根据雷诺公式，计算流体从层流转向湍流的临界点，获得微织构的布置区域范围。根据以上两个数据，进行减阻微织构设计，并利用CREO软件建模，通过流场仿真软件FLUENT进行仿真，分析微织构减阻情况，优化其特征参数，实现具有减阻效应的平壁减阻微织构的设计。本发明采用边界层理论，通过对湍流区域的分层和定位，进行微织构参数设计，能够有效缩小减阻微织构的尺寸设计范围，减少仿真量，节约资源成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种平壁表面减阻功能微织构的设计方法，可用于改进平板表面的气动性能，减少流动阻力，属于表面织构设计领域。
背景技术
随着全球能源危机的出现，不可再生资源的损耗，减少能源浪费，探索可持续发展已经成为重要的研究课题。由于微纳测量技术的进步，人们逐渐发现，自然界中某些生物表面具有的特别的微纳米结构能够使生物获得一些特殊性能。如荷叶的疏水、自洁性源于其表面的微小凸起结构；鲨鱼在水中的快速游动能力归因于其皮肤表面的顺流向肋条具有减少阻力的功能。研究表明，合理的表面微结构可以减小表面摩擦和剪切应力达到10％。因此，在物体表面加工出微结构形成功能性表面，可以减少物体的风阻、摩阻，提高其气动性能，从而达到增速、增程、节能的目的。
微织构减阻虽然经过了几十年的发展，一些学者总结了一些减阻理论，如突出高度理论，二次涡群理论，空气轴承理论等，但是并没有形成统一的理论解释。虽然减阻微织构表面应用前景广，但是没有具有普遍性的减阻微织构设计方法作为理论支撑，限制了其发展。
目前平壁减阻微织构的设计多采用，数值仿真的方法，但是设计参数没有理论依据，为了确定具有减阻效应的表面微织构，需要仿真的量很大，时间长，成本高，且设计结果并不一定理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种仿真量小，节约成本，适用范围广的平壁的减阻微织构的设计方法。当有气体流过平板表面时，能偶减少阻力，提升气动性能，减少能量损耗。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
步骤1)：对边界层进行划分，根据普朗特的边界层理论，在平壁扰流流动中，在平壁的前部，边界层流动为层流，随着流体沿着平壁继续向前流动，边界层内流动过渡为湍流。将湍流壁面区域划分为粘性底层、缓冲层和对数律层，这部分区域的外部通常被认为是外流区域。本发明的关键就在于在缓冲层布置微小结构，控制湍流；
步骤2)：尺寸无量纲化，将微织构几何形状尺寸进行无量纲化的，无量纲高度：无量纲间距：/>无量纲宽度：/>其中y是距离壁面高度，s为相邻微织构间距，t为微织构宽度，ν为运动粘度，vτ为壁面应力剪切速度，可通过公式/>获得，其中ρ为流体密度，τ0为壁面剪切应力：/>u为来流速度，δ为边界层厚度根据雷诺数/>确定：在/>范围，边界层内的流动为层流，边界层厚度为
在范围，边界层内的流动为湍流，边界层厚度为
在区间，边界层内的流动处于过渡状态。无明显边界
式中μ为动力粘度，x为距离入口距离；
步骤3)：计算缓冲层厚度，通常近壁区在y+≤100的范围内，其中黏性底层：0≤y+≤5，黏性切应力为主导，湍流切应力为零。缓冲区：5≤y+≤30，粘性切应力和湍流切应力同时存在。对数律层：30≤y+≤100，湍流剪应力占主导，微织构尺寸设计应在缓冲层内；
步骤4)：流速参数确定，根据设计要求，确定来流速度u；
步骤5)：确定尺寸大小，根据步骤2)中无量纲高度y+计算公式以及步骤3)中的范围，计算在步骤4)中的流速情况下的微织构高度尺寸y的设计范围，
步骤6)位置参数确定：根据雷诺数公式进行计算，根据层流转向湍流临界值确定层流开始向湍流转捩时距离入口的距离，以及完全发展成湍流时距离入口的距离，根据两个距离获得微织构位置参数的设计范围；
步骤7)：微尺度的验证，由于FLUENT软件针对模拟宏观结构设计的，为了验证微结构能否用宏观的流体动力学分析模型的理论来分析，对其验证是否存在非连续介质的维纳尺度效应，对克努森数Kn进行计算,以保证阻力分析方法的可靠性，公式如下；
式中λ——分子的自由程；
L——几何特征尺度；
Kb——Boltzmann常数；Kb＝1.38×10-23
σ0——分子直径；σ0＝3.5×10-10m
P——流体压力，Kn的定性压力
T——流体热力学温度,取288K
步骤8)：微织构建模，利用CREO软件，根据步骤5)和步骤6)中得到的尺寸范围和位置范围，进行数字化建模，并改变形状、间距，数量参数建立多组模型，用于比较优化参数；
步骤9)：数值仿真，将步骤8)中建立的模型导入ICEM-CFD软件中，进行网格划分，然后导入FLUENT软件，进行流体仿真；
步骤10)分析微织构减阻性能，根据步骤9)的仿真结果分析微织构表面压差阻力、摩擦阻力、和总阻力的变化规律，通过总压恢复系数TPR作为标准，评价各个微织构的减阻性能，TPR计算公式如下：
其中为出口处总压，/>为进口处总压，并分析各特征参数对阻力的影响趋势；
步骤11)：根据10)中的分析结果，汇总各最优特征参数，按照步骤8-10)的过程进行数值仿真，验证减阻效果，最终获得具有最佳减阻效应的微织构最优设计参数。
本发明中步骤4)中所述来流速度u大小需要注意，0.3马赫是个临界值，当马赫数小于0.3时，可将气体看作不可压缩气体，当马赫数大于0.3时，看做可压缩气体，需要考虑其压缩性。
本发明中所述步骤6)中，位置需根据雷诺数公式进行计算，其中x为平板沿来流方向距入口的距离，ρ为密度，u为来流速度，μ为动力粘度当/>时，边界层内为层流，当/>时，边界层内为湍流，当/>区间为过渡状态，本发明目标是控制湍流，因此微织构应从过渡区开始布置。
本发明中所述步骤7)中克努森数Kn必须满足的范围为，Kn<0.001，此范围内流动可以视为连续介质流动，具有无滑移边界条件，可以应用数值计算的方法，可以运用N-S方程,可用宏观流体动力学分析模型的理论来分析。
本发明中所述步骤8)中，建模时应设置模型的精度达到0.00001mm，以保证后续仿真的顺利。
本发明中所述步骤9)中，网格划分适用结构网格，网格精度较高，网格质量在0.9-1之间，对于近壁面的网格需要加密，第一层网格尺寸在0.02-0.08之间。
本发明提出一种在平壁表面设计微织构来达到减小流动阻力的方法。根据流动参数，结合边界层理论，将湍流近壁面区域进行划分为粘性底层、缓冲层和对数律层，其中黏性底层和对数律层中间的缓冲层是壁面剪切应力开始形成的区域，首先为保证微织构的高度尺寸设计在缓冲层内，将尺寸进行无量纲化，计算此区域厚度，由此确定微织构的高度范围。其次根据雷诺公式，计算平壁上流体从层流到湍流转捩的临界点，从而获得微织构的布置区域范围。然后根据以上两个数据，进行减阻微织构设计，并利用CREO软件建模，通过流场仿真软件FLUENT进行仿真，通过控制变量法进行多组仿真，分析设计的微织构减阻情况，并对其特征参数进行优化，实现平壁减阻微织构的设计。由于本发明采用流体力学基础理论，边界层理论，通过对湍流区域的分层和定位，确定了微织构的高度尺寸和布置区域，所以能够缩小具有减阻效应的微织构的尺寸设计范围，减少后续仿真验证的工作量，节约了仿真时间，且具有广泛的适用范围。
附图说明
图1.边界层分层；
图2.层流湍流转捩；
图3.微织构网格划分；
具体实施方式
针对平壁的减阻微织构进行设计。首先，分析近壁区边界层的划分，确定微织构的作用区域，并计算该区域厚度。其次，根据无量纲方程确定减阻微织构的尺寸参数和位置参数设计范围。最后，通过有限元仿真实现计算流体力学计算，验证优化微织构参数。
1、对边界层进行划分
根据普朗特的边界层理论，在平壁扰流流动中，在平壁的前部，边界层流动为层流，随着流体沿着平壁继续向前流动，边界层内流动过渡为湍流。将湍流壁面区域划分为粘性底层、缓冲层和对数律层，确定在缓冲层布置微小结构，可以控制湍流；如图一所示
2、尺寸无量纲化
将微织构几何形状尺寸进行无量纲化的，无量纲高度：无量纲间距：无量纲宽度：/>其中y是距离壁面高度，s为相邻微织构间距，t为微织构宽度，ν为运动粘度，vτ为壁面应力剪切速度，可通过公式/>获得，其中ρ为流体密度，τ0为壁面剪切应力：/>μ为来流速度，δ为边界层厚度根据雷诺数确定，
在范围，边界层内的流动为层流，边界层厚度为
在范围，边界层内的流动为湍流，边界层厚度为
在区间，边界层内的流动处于过渡状态，无明显边界。
式中μ为动力粘度，x为距离入口距离；
3、计算缓冲层厚度
利用壁面剪应力速度和雷诺数中的速度项，根据壁面的无量纲高度y+确定边界层区域，缓冲区的厚度在5≤y+≤30的范围内；
4、流速参数确定
根据设计要求，确定来流速度75m/s。流速大小需要注意，0.3马赫是个临界值，当马赫数小于0.3时，可将气体看作不可压缩气体，当马赫数大于0.3时，看做可压缩气体，需要考虑其压缩性。如75m/s时，小于0.3Ma，不考虑气体压缩性。
5、确定尺寸大小
根据步骤2中的无量纲高度y+计算公式以及步骤3中的范围，计算在75m/s流速情况下，高度设计范围为0.025-0.153mm之间。根据此范围，设计多组微织构结构参数，如形状三角形肋条，高度0.02、0.048、0.089、0.1、0.2、0.3；6、位置参数确定
根据雷诺数公式进行计算，其中x为平板沿来流方向距入口的距离，ρ为密度，u为来流速度，μ为动力粘度，当/>时，边界层内为层流，当/>时，边界层内为湍流，当/> 区间为过渡状态，本发明目标是控制湍流，因此微织构应从过渡区开始布置。75m/s的流速下，微织构布置应在距离入口0.058m之后，0.58m处之后完全湍流状态。如图二所示
7、微尺度的验证
为了验证微结构能否用宏观的流体动力学分析模型的理论来分析，对其验证是否存在非连续介质的维纳尺度效应，对克努森数Kn进行计算,以保证阻力分析方法的可靠性。当Kn<0.001，此范围内流动可以视为连续介质流动，具有无滑移边界条件，可用宏观流体动力学分析模型的理论来分析。75m/s时，微织构只要微织构尺寸大于0.04mm时，流动可以视为连续介质流动。可以应用数值计算的方法，可以运用N-S方程，并且适用无滑移边界条件。因此尺寸范围进一步缩小：0.048、0.089、0.1、0.2、0.3。
8、微织构建模
利用CREO软件，之前得到的尺寸范围和位置范围，进行数字化建模，计算域为1000*200mm的长方形，微织构布置在距离入口600mm处。微织构数量为20、40、60、80。建模时应设置模型的精度达到0.00001mm9、数值仿真
将建立的模型导入ICEM-CFD软件中，进行网格划分，网格划分适用结构网格，网格精度较高，网格质量在0.9-1之间，对于近壁面的网格需要加密，第一层网格尺寸在0.02-0.08之间。然后导入FLUENT软件，进行流体仿真。如图三所示
10、分析微织构减阻性能
根据仿真结果分析微织构表面压差阻力、摩擦阻力、和总阻力的变化规律，通过总压恢复系数TPR作为标准，评价各个微织构的减阻性能，TPR计算公式如下：
其中为出口处总压，/>为进口处总压，并分析各特征参数对阻力的影响趋势。
11、参数确定
根据分析结果，汇总各最优特征参数，按照步骤8-10的过程进行数值仿真，验证减阻效果，得到当75m/s的流速情况下，相对于采用其他参数，高度为0.048mm，间距0.055，数量为60，具有最优的减阻效果，TPR变化率0.0035％，阻力变化率-0.017％。
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 (6)
1.平壁表面减阻功能微织构的设计方法，其特征包括以下步骤：
步骤1)：对边界层进行划分
根据普朗特的边界层理论，在平壁扰流流动中，在气体流动方向上，在平壁的前部，边界层流动为层流，随着流体沿着平壁继续向前流动，边界层内流动过渡为湍流，存在三个区域：层流区、过渡区、湍流区；在湍流区域，纵向方向由近壁面开始划分为粘性底层、缓冲层和对数律层，这部分区域的外部是外流区域；
步骤2)：尺寸无量纲化
将微织构几何形状尺寸进行无量纲化的，无量纲高度：无量纲间距：/>无量纲宽度：/>其中y是距离壁面高度，s为相邻微织构间距，t为微织构宽度，ν为运动粘度，vτ为壁面应力剪切速度，可通过公式/>获得，其中ρ为流体密度，τ0为壁面剪切应力：/>u为来流速度，δ为边界层厚度根据雷诺数/>确定，
在范围，边界层内的流动为层流，边界层厚度为
在范围，边界层内的流动为湍流，边界层厚度为
在区间，边界层内的流动处于过渡状态，无明显边界
式中μ为动力粘度，x为距离入口距离；
步骤3)：计算缓冲层厚度
通常近壁区在y+≤100的范围内，其中黏性底层：0≤y+≤5，黏性切应力为主导，湍流切应力为零，缓冲区：5≤y+≤30，粘性切应力和湍流切应力同时存在，对数律层：30≤y+≤100，湍流剪应力占主导，微织构尺寸设计应在缓冲层内；
步骤4)：确定流速参数
根据设计要求，确定来流速度u；
步骤5)：确定尺寸大小
根据步骤2)中无量纲高度y+计算公式以及步骤3)中的范围，计算在步骤4)中的流速情况下的微织构高度尺寸y的设计范围；
步骤6)位置参数确定
根据雷诺数公式进行计算，根据层流转向湍流临界值确定层流开始向湍流转捩时距离入口的距离，以及完全发展成湍流时距离入口的距离，根据两个距离获得微织构位置参数的设计范围；
步骤7)：微尺度的验证
由于FLUENT软件针对模拟宏观结构设计的，为了验证微结构能否用宏观的流体动力学分析模型的理论来分析，对其验证是否存在非连续介质的维纳尺度效应，对克努森数Kn进行计算,以保证阻力分析方法的可靠性，公式如下；
式中λ——分子的自由程；
L——几何特征尺度；
Kb——Boltzmann常数；Kb＝1.38×10-23
σ0——分子直径；σ0＝3.5×10-10m
P——流体压力，Kn的定性压力
T——流体热力学温度,取288K
步骤8)：微织构建模
利用CREO软件，根据步骤5)和步骤6)中得到的尺寸范围和位置范围，进行数字化建模，并改变微织构的形状、间距，数量参数建立多组模型，用于比较优化参数；
步骤9)：数值仿真
将步骤8)中建立的模型导入ICEM-CFD软件中，进行网格划分，然后导入FLUENT软件，进行流体仿真；
步骤10)分析微织构减阻性能
根据步骤9)的仿真结果分析微织构表面压差阻力、摩擦阻力、和总阻力的变化规律，通过总压恢复系数TPR作为标准，评价各个微织构的减阻性能，TPR计算公式如下：
其中为出口处总压，/>为进口处总压，并分析各特征参数对阻力的影响趋势；
步骤11)：获得最优设计参数
根据10)中的分析结果，汇总各最优特征参数，按照步骤8-10)的过程进行数值仿真，验证减阻效果，最终获得具有最佳减阻效应的微织构最优设计参数。
2.根据权利要求1所述的平壁表面减阻功能微织构的设计方法，其特征在于：所述步骤4)中，来流流速大小需要注意，0.3马赫是个临界值，当马赫数小于0.3，将气体看作不可压缩气体，当马赫数大于0.3时，看做可压缩气体，需要考虑其压缩性。
3.根据权利要求1所述的平壁表面减阻功能微织构的设计方法，其特征在于：所述步骤6)中，位置根据雷诺数公式进行计算，其中x为平板沿来流方向距入口的距离，ρ为流体密度，u为来流速度，μ为动力粘度，当/>时，边界层内为层流，当时，边界层内为湍流，当/>区间为过渡状态；为控制湍流，因此微织构的位置从过渡区开始布置。
4.根据权利要求1所述的平壁表面减阻功能微织构的设计方法，其特征在于：所述步骤7)中，若Kn<0.001时，流动视为连续介质流动，具有无滑移边界条件，用宏观流体动力学分析模型的理论来分析。
5.根据权利要求1所述的平壁表面减阻功能微织构的设计方法，其特征在于：所述步骤8)中，建模时应设置模型的精度达到0.00001mm，以保证后续仿真的顺利。
6.根据权利要求1所述的平壁表面减阻功能微织构的设计方法，其特征在于：所述步骤8)中，网格划分适用结构网格，网格精度较高，网格质量在0.9-1之间，对于近壁面的网格需要加密，第一层网格尺寸在0.02-0.08之间。
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| PB01 | Publication | ||
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