CN112651195B - 一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法 - Google Patents

Abstract

本方明公开了一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法，属于空气动力学技术领域。本方法根据沟槽型结构表面处理的流动控制机理，及其对边界层时均流动特性的影响，确定减阻效果预测技术的设计思路。通过选定沟槽型结构表面的具体结构形式，结合平板表面的试验(或数值)测试数据，建立偏航角影响下的减阻效果与影响因素间的函数关系。通过利用“滑移速度理论”，建立减阻效果与CFD模化参量间的关系。在光滑表面借助模化后的CFD程序，模拟沟槽型结构表面的流场。本发明方法与现有技术相比，能够提高沟槽型结构表面减阻效果预测效率，同时准确预测在偏航角影响下的作用效果，广泛适用于复杂流动环境下的工业产品沟槽型结构表面减阻设计工作。

Description

一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法

技术领域

本发明涉及一种沟槽型结构的表面减阻效果预测方法，具体涉及一种基于偏航角的沟槽型结构的表面减阻效果预测方法，属于空气动力学技术领域。

背景技术

沟槽型结构的表面处理技术，是一种基于仿生设计的湍流减阻技术，于二十世纪八十年代提出。该技术利用在光滑表面上加工出的微尺度沟槽型结构，一方面通过控制壁面湍流拟序结构，来限制近壁湍流猝发、抑制边界层的动量交换；另一方面通过存储低能流体，来增加粘性子层厚度，进而实现湍流边界层减阻。

由于沟槽型结构表面处理技术具有结构简单、效果显著、应用方便、使用范围广等特点，且具有较小的附加阻力，在航空航天、船舶工业、水利水电、石油化工等各个领域中独具应用优势。

若偏航角按来流方向与沟槽的槽道方向之间的夹角定义，则沟槽型结构表面在偏航角为零的条件下，会产生最佳的减阻效果。然而，实际工况的内、外流流场十分复杂，常伴有气流偏转、流动分离、二次流等流动现象，导致沟槽型结构表面处理技术在非零偏航角条件下工作，其减阻效果发生变化。

为了更可靠地预测该技术在复杂流场环境下的减阻作用，考虑偏航角影响的沟槽型结构表面处理技术，亟待更深入的探讨与研究。

数值模拟仿真，是在实际工程中开展沟槽型结构表面处理中的一项重要手段。然而，沟槽型结构的尺度只有微米量级，使得近壁面网格必须足够密才能捕捉到沟槽的控制效应，由此产生的巨大网格量和计算量，限制了处理进程。

为解决这一技术问题，沟槽型结构表面的减阻效果预测方法被提出，并应用于飞行器等工业产品的试验论证和设计工作中。该方法主要通过数值模型来代替实际的沟槽型结构表面，用于预测作用效果。但是，目前现有的方法中，部分无法对气流偏航角工况下，沟槽型结构表面出现较大减(增)阻率的情况进行计算，另外，对减阻率的预测精度低。

因此，需要提出一种作用效果模拟范围广、适用性高的沟槽型结构表面减阻效果预测方法，对于沟槽型结构表面处理技术发展、减阻优化设计都有着重要意义。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，为沟槽型结构表面设计时在减阻效果预测上存在适用性和鲁棒性低的技术问题，创造性地提出一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法。

本发明方法的创新点在于：

第一，首次提出根据沟槽型结构表面处理的流动控制机理，及其对边界层时均流动特性的影响，确定减阻效果预测技术的设计思路。

再次，通过选定沟槽型结构表面的具体结构形式，结合平板表面的试验(或数值)测试数据，建立偏航角影响下的减阻效果与影响因素间的函数关系。

最后，通过利用“滑移速度理论”，建立减阻效果与CFD模化参量间的关系。在光滑表面借助模化后的CFD程序，即可模拟沟槽型结构表面的流场。

本发明采用以下技术方案实现。

一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1：明确沟槽型结构表面的流动控制机理与沟槽型结构表面的时均流动特性。

对于给定了几何特征的明确沟槽型表面，其减阻作用发生于边界层内层，且对边界层特性的影响表现在平均速度型对数区的偏移上，如图2所示。

令偏移量为Δu⁺，与减阻效果有关，满足下式：

式中，κ为卡门常数；C是与光滑表面有关的常量；y⁺为无量纲壁面法向距离； u⁺为近壁面无量纲速度，角标r、sm分别表示与沟槽型结构表面、光滑表面有关的量。

步骤2：选定沟槽型结构表面的具体结构形式，结合平板表面的试验(或数值)测试数据，建立偏航角影响下的减阻效果与影响因素间的函数关系。

具体如下：

步骤2.1：选定沟槽型结构表面的具体结构形式。

针对某一确定的沟槽型结构表面的结构形式，分析制约减阻效果的影响因素，包括几何参数和工况条件。例如，包括宽高比h/s、无量纲高度h⁺、偏航角α。

步骤2.2：收集沟槽型结构表面处理技术的平板试验测试数据。

在具有沟槽型结构表面的平板上，得到在偏航角影响因素下的减阻率测试数据。

其中，测试数据可以通过试验测得，也可以在经过可靠性验证的数值计算中获得。

步骤2.3：建立减阻率与影响因素间的函数关系。

根据测试数据点的分布规律，借助数值分析理论和变量的物理意义，确定减阻率与包含偏航角在内的各影响因素间相关关系，并进行减阻率函数拟合。

具体地，对于某一确定的偏航角α，数据点呈现抛物线型的分布规律，减阻率R_d与无量纲高度h⁺满足如下函数关系：

R_d＝k₁(α)(h⁺)²+k₂(α)(h⁺)+k₃(α) (3)

其中，h⁺＝5～30；k₁、k₂、k₃为多项式函数系数。

通过分析参数的物理意义，对于某一确定的h⁺，减阻率与偏航角满足如下关系：

R_d～mcos2α+n (4)

式中，m、n均为与h⁺有关的比例常量。

步骤3：利用“滑移速度理论”，建立减阻效果与CFD模化参量间的关系。

具体如下：

步骤3.1：确定能够用于修改边界层平均速度型的CFD方法。

基于“滑移速度理论”，在光滑表面施加滑移速度u_s，使平均速度型偏移 u_s ⁺＝Δu⁺，Δu⁺表示速度型偏移量，如图3所示，与沟槽型结构表面的边界层时均流动特性吻合。滑移速度u_s定义如下：

其中，λ为流向滑移长度；u表示近壁面气流速度；n为壁面法向距离；w表示与壁面有关的量。

步骤3.2：建立减阻率与速度型偏移量Δu⁺的关系。

依据光滑表面、沟槽型结构表面的边界层速度分布特点，以及由减阻率搭建起的壁面摩擦速度间相关关系，获得沟槽型结构表面减阻率与边界层速度型偏移量的定量关系。

步骤3.3：建立沟槽型结构表面的等效边界条件。

将步骤3.2所述的关系式与步骤2.3所述的减阻率函数相结合，通过在光滑表面设置滑移边界条件，即能够模拟偏航角影响下的指定结构形式沟槽型结构表面流场，并预测减阻效果。

有益效果

本发明方法，与现有技术相比，能够提高沟槽型结构表面减阻效果预测中的计算效率，同时准确预测在偏航角影响下的作用效果。本方法能够广泛适用于复杂流动环境下的工业产品沟槽型结构表面的减阻设计工作。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为沟槽型结构表面与光滑表面的边界层速度型对比图。

图3为滑移速度理论图。

图4为带有偏航角的对称式V型沟槽结构示意图。

图5为方法验证用的沟槽型结构表面平板通道计算模型图。

图6为方法验证用的光滑表面平板通道计算模型图。

图7为验证计算得到的减阻率结果对比图。

图8为验证计算得到的边界层速度分布结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的具体实施方式作详细说明。

实施例

一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法，包括以下步骤：

S1`：明确沟槽型结构表面处理技术的流动控制机理与沟槽型结构表面时均流动特性。

本实施例中，沟槽型结构为微米级尺度的对称式V型沟槽表面，如图4所示。由于其流动控制机理、时均流动特性与沟槽型结构表面处理技术相符，因此可进行减阻效果预测。

S2`：确定数值模型化处理思路。

首先，建立偏航角影响下的减阻效果与影响因素间的关系；

然后，建立减阻效果与偏移量Δu⁺的关系。

S3`：选取沟槽型结构表面结构形式为对称式V型沟槽，其减阻效果的影响因素包括：宽高比h/s、无量纲高度h⁺、偏航角α。

S4`：针对h/s＝1的对称式V型沟槽，获得不同h⁺、α下的减阻率R_d平板试验测试数据。

S5`：对于某一确定的偏航角α，数据点呈现抛物线型的分布规律，减阻率R_d与无量纲高度h⁺满足如下函数关系：

R_d＝k₁(α)(h⁺)²+k₂(α)(h⁺)+k₃(α) (3)

其中，h⁺＝5～30；k₁、k₂、k₃为多项式函数系数。

通过分析参数的物理意义，对于某一确定的h⁺，减阻率与偏航角满足如下关系：

R_d～mcos2α+n (4)

式中，m、n均为与h⁺有关的比例常量。

结合公式(3)、(4)，采用最小二乘法进行函数拟合，最终得到对称式V型沟槽(h/s＝1)表面处理技术的减阻率函数为：

S6`：确定能够用于修改边界层平均速度型的CFD方法。

基于“滑移速度理论”，利用光滑表面设置滑移边界条件的方法，模拟对称式V型沟槽表面流场。

S7`：建立减阻率与速度型偏移量Δu⁺的关系。光滑表面、沟槽型结构表面的边界层速度分布分别满足如下式(6)、式(7)：

其中，y₀取到边界层内层的外缘，即，y₀＝σ；u_τ为壁面摩擦速度；κ为卡门常数；角标r、sm分别表示与沟槽型结构表面、光滑表面有关的量；v表示运动粘度。

光滑表面、对称式V型沟槽(h/s＝1)表面的壁面摩擦速度满足下式：

其中，ε(α)为与偏航角有关的修正因子，α＝0时，ε(α)＝1。

联立式(6)-(8)，得到减阻率与Δu⁺的关系为：

其中，κ为卡门常数。

S8`：建立对称式V型沟槽表面的等效边界条件。

根据u_s ⁺＝Δu⁺～R_d(h/s、h⁺、α)的关系，进行表面减阻效果预测。

例如，可以利用商业软件Fluent，在Fluent UDF中指定滑移壁面u_s或设置壁面边界条件中的“Specified Shear”选项进行预测。

建立验证计算模型。沟槽表面平板通道模型，如图5所示。经模化的光滑表面平板通道模型，如图6所示，其下壁面设置滑移壁面，用来模拟沟槽平板。为避免计算方法对验证结果造成影响，两模型的尺寸、网格布置方式、计算设置保持一致。

开展方法可靠性验证。对于h/s＝1、h⁺＝13的对称式V型沟槽，计算得到两模型的减阻率对比结果，如图7所示；边界层速度型对比结果，如图8所示。计算结果吻合程度好，认为方法具有高可靠性。

由此可见，本发明方法适用于预测偏航角影响下，沟槽型结构表面处理技术的作用效果。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利 要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：明确沟槽型结构表面的流动控制机理与沟槽型结构表面的时均流动特性；

对于给定了几何特征的明确沟槽型表面，其减阻作用发生于边界层内层，且对边界层特性的影响表现在平均速度型对数区的偏移上；

令偏移量为Δu⁺，与减阻效果有关，满足下式：

式中，κ为卡门常数；C是与光滑表面有关的常量；y⁺为无量纲壁面法向距离；u⁺为近壁面无量纲速度，角标r、sm分别表示与沟槽型结构表面、光滑表面有关的量；

步骤2：选定沟槽型结构表面的具体结构形式，结合平板表面的测试数据，建立偏航角影响下的减阻效果与影响因素间的函数关系；

步骤2.1：选定沟槽型结构表面的具体结构形式，针对某一确定的沟槽型结构表面的结构形式，分析制约减阻效果的影响因素，包括几何参数和工况条件，具体包括宽高比h/s、无量纲高度h⁺、偏航角α；

步骤2.2：收集沟槽型结构表面处理技术的平板试验测试数据，在具有沟槽型结构表面的平板上，得到在偏航角影响因素下的减阻率测试数据；

步骤2.3：建立减阻率与影响因素间的函数关系，根据测试数据点的分布规律，借助数值分析理论和变量的物理意义，确定减阻率与包含偏航角在内的各影响因素间相关关系，并进行减阻率函数拟合；

对于某一确定的偏航角α，数据点呈现抛物线型的分布规律，减阻率R_d与无量纲高度h⁺满足如下函数关系：

R_d＝k₁(α)(h⁺)²+k₂(α)(h⁺)+k₃(α) (2)

其中，h⁺＝5～30；k₁、k₂、k₃为多项式函数系数；

通过分析参数的物理意义，对于某一确定的h⁺，减阻率与偏航角满足如下关系：

R_d～mcos2α+n (3)

式中，m、n均为与h⁺有关的比例常量；

步骤3：利用“滑移速度理论”，建立减阻效果与CFD模化参量间的关系；

步骤3.1：确定能够用于修改边界层平均速度型的CFD方法；

基于“滑移速度理论”，在光滑表面施加滑移速度u_s，使平均速度型偏移

Δu⁺表示速度型偏移量，与沟槽型结构表面的边界层时均流动特性吻合，滑移速度u_s定义如下：

其中，λ为流向滑移长度；u表示近壁面气流速度；n为壁面法向距离；w表示与壁面有关的量；

步骤3.2：建立减阻率与速度型偏移量Δu⁺的关系；

依据光滑表面、沟槽型结构表面的边界层速度分布特点，以及由减阻率搭建起的壁面摩擦速度间相关关系，获得沟槽型结构表面减阻率与边界层速度型偏移量的定量关系；

步骤3.3：建立沟槽型结构表面的等效边界条件；

将步骤3.2所述的关系式与步骤2.3所述的减阻率函数相结合，通过在光滑表面设置滑移边界条件，即能够模拟偏航角影响下的指定结构形式沟槽型结构表面流场，并预测减阻效果。

2.如权利要求1所述的一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法，其特征在于，其中，步骤2.2中平板试验测试数据，经过可靠性验证的数值计算获得。

3.如权利要求1所述的一种基于偏航角的沟槽型结构表面减阻效果预测方法，其特征在于，针对h/s＝1的对称式V型沟槽，获得不同h⁺、α下的减阻率R_d平板试验测试数据；

采用最小二乘法进行函数拟合，最终得到对称式V型沟槽h/s＝1表面处理技术的减阻率函数为：

光滑表面、沟槽型结构表面的边界层速度分布分别满足如下式：

其中，y₀取到边界层内层的外缘，即，y₀＝σ；u_τ为壁面摩擦速度；κ为卡门常数；角标r、sm分别表示与沟槽型结构表面、光滑表面有关的量；v表示运动粘度；

光滑表面、对称式V型沟槽h/s＝1表面的壁面摩擦速度满足下式：

其中，ε(α)为与偏航角有关的修正因子，α＝0时，ε(α)＝1；

进一步得到减阻率与Δu⁺的关系为：

其中，κ为卡门常数。

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