CN114329795A - 在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法 - Google Patents

在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法 Download PDF

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杨轶飞
成小乐
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Abstract

本发明公开了一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，包括采用三维绘图软件绘制水下航行器模型，在水下航行器表面均匀布置沟槽状的减阻微结构，顺流向布置，使用仿真分析软件Ansys对表面光滑和表面布置有不同结构、不同数量组减阻微结构的水下航行器模型进行仿真分析，得到表面摩擦阻力值，根据表面摩擦阻力值计算出具有不同结构、不同数量组减阻微结构的水下航行器表面的减阻率，用最大减阻率对应的减阻微结构来设计实际应用中水下航行器表面结构。采用本发明方法能有效的减小水下航行器表面的运行阻力，最大化的降低水下航行器的能耗，节约能源。

Description

在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法
技术领域
本发明属于水下航行器减阻技术领域，涉及一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法。
背景技术
21世纪能源濒临枯竭的问题一直困扰着我们。节能减排成为21 世纪乃至未来发展的主题和目标。自20世纪70年代，NASA兰利研究中心发现，表面为微结构时能够降低表面阻力，打破了表面越光滑则阻力越小的传统的阻力认知。
相关研究表明，水下航行器在运行的过程中，由于水下航行器表面与水产生的表面阻力，使其在运行过程中，消耗大量能耗。常规水下航行器在克服表面阻力时能源损耗接近一半，因此需要对其进行减阻设计，目前使用的大多是主动减阻，需要消耗大量的能量。
因此，减小水下航行器运行时的表面与水的阻力是节约能源、降低能耗的有效途径。
发明内容
本发明的目的是提供一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，解决了现有水下航行器减阻方式耗能大的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，包括采用三维绘图软件绘制水下航行器模型，在水下航行器表面均匀布置沟槽状的减阻微结构，顺流向布置，使用仿真分析软件Ansys对表面光滑和表面布置有不同结构、不同数量组减阻微结构的水下航行器模型进行仿真分析，得到表面摩擦阻力值，根据表面摩擦阻力值计算出具有不同结构、不同数量组减阻微结构的水下航行器表面的减阻率，用最大减阻率对应的减阻微结构来设计实际应用中水下航行器表面结构。
其中，减阻微结构为V形脊状结构、L形盾鳞结构、N形锯齿结构、U形凹槽结构或梯形凹槽结构。
减阻微结构中槽高为h，槽宽为s，其中
Figure BDA0003465505310000021
Figure BDA0003465505310000022
式中，h+与s+均为无量纲常数，v为运动粘度系数，U0为来流速度，Re为雷诺数。
水下航行器表面减阻率η为
Figure BDA0003465505310000023
式中，FWall-smooth为光滑壁面的摩擦阻力，FWall-rough为表面布置减阻微结构后壁面的摩擦阻力。
减阻微结构布置在水下航行器中部表面上。
本发明的有益效果是，通过在水下航行器表面设置V形脊状结构、L形盾鳞结构、N形锯齿结构、U形凹槽结构或梯形凹槽结构的减阻微结构，仿真分析布置有不同结构、不同数量组减阻微结构的水下航行器表面的减阻率，用最大减阻率对应的减阻微结构来设计实际应用中水下航行器表面结构，能有效的减小水下航行器表面的运行阻力，最大化的降低水下航行器的能耗，节约能源。
附图说明
图1是本发明一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中表面光滑潜艇模型的三维模型示意图；
图3是本发明实施例中表面光滑潜艇模型的速度云图和速度矢量图；
图4是本发明实施例中表面光滑潜艇模型壁面剪切力云图；
图5是本发明实施例中表面布置有沟槽状减阻微结构的潜艇模型的三维模型示意图；
图6是本发明实施例中表面布置有V形脊状减阻微结构的潜艇纵截面示意图；
图7是本发明实施例中表面布置有L形盾鳞状减阻微结构的潜艇纵截面示意图；
图8是本发明实施例中表面布置有N形锯齿状减阻微结构的潜艇纵截面示意图；
图9是本发明实施例中表面布置有U形凹槽状减阻微结构的潜艇纵截面示意图；
图10是本发明实施例中表面布置有梯形凹槽状减阻微结构的潜艇纵截面示意图；
图11本发明实施例中表面布置有V形脊状减阻微结构的潜艇表面速度云图；
图12本发明实施例中表面布置有V形脊状减阻微结构的潜艇表面涡量云图。
图中，1.前体，2.中体，3.后体，4.指挥台，5.尾翼，6.减阻微结构。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，参照图1，包括以下步骤：
步骤1，采用三维绘图软件绘制水下航行器模型，以潜艇为例，其模型如图2所示，包括前体1、中体2和后体3，中体2前端顶部安装有指挥台4，后体3侧面安装有尾翼5。
步骤2，使用仿真分析软件Ansys对表面光滑的潜艇模型进行仿真分析，得到其表面摩擦阻力值FWall-smooth；
步骤3，在潜艇表面上均匀布置沟槽状的减阻微结构6，为了确定减阻微结构的布置位置，对一定运行速度下的表面光滑潜艇各部分速度和壁面剪切力进行分析，获得其速度云图和速度矢量图，如图3 所示，获得其壁面剪切力云图，如图4所示，从图3中可以看出，潜艇中部的速度变化更为明显，从图4中可以看出，潜艇中部的壁面剪切力更为集中，表明潜艇的运行阻力更多来自中部区域，因此，将减阻微结构6布置于潜艇中部表面，可以起到最大的减阻效果；减阻微结构顺流向布置，其模型如图5所示；
布置于潜艇表面的减阻微结构为V形脊状结构(参见图6)、L 形盾鳞结构(参见图7)、N形锯齿结构(参见图8)、U形凹槽结构 (参见图9)或梯形凹槽结构(参见图10)，这些减阻微结构均能有效的减小潜艇表面的运行阻力。
以在潜艇表面布置V形脊状减阻微结构为例，其表面速度云图如图11所示，其表面涡量云图如图12所示，从图11可以看出，近壁区的速度呈现分层现象，增加了边界层的厚度，阻止了外部高速流体与壁面直接接触；从图12可以看出，减阻微结构附近出现涡量聚集，减小了壁面的摩擦阻力。
减阻微结构中槽高为h，槽宽为s，其中
Figure BDA0003465505310000051
Figure BDA0003465505310000052
式中，h+与s+均为无量纲常数，取值范围为10～30，v为运动粘度系数，U0为来流速度，Re为雷诺数。
设定来流速度为3-10(m/s)，可得：
h≤0.2mm
S≤0.2mm
步骤4，使用仿真分析软件Ansys对表面布置有不同结构、不同数量组减阻微结构的潜艇模型进行仿真分析，得到其表面摩擦阻力值 FWall-rough；
步骤5，根据表面摩擦阻力值FWall-smooth与FWall-rough计算出具有不同结构、不同数量组减阻微结构的潜艇表面的减阻率η，
Figure BDA0003465505310000061
式中，FWall-smooth为光滑壁面的摩擦阻力，FWall-rough为表面布置减阻微结构后壁面的摩擦阻力。
通过分析计算可知，在相同表面布置的微结构的数量组越大，其减阻效果越好；
步骤6，用最大减阻率对应的减阻微结构来设计实际应用中水下航行器表面结构。

Claims (5)

1.一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，其特征在于，包括采用三维绘图软件绘制水下航行器模型，在水下航行器表面均匀布置沟槽状的减阻微结构，顺流向布置，使用仿真分析软件Ansys对表面光滑和表面布置有不同结构、不同数量组减阻微结构的水下航行器模型进行仿真分析，得到表面摩擦阻力值，根据表面摩擦阻力值计算出具有不同结构、不同数量组减阻微结构的水下航行器表面的减阻率，用最大减阻率对应的减阻微结构来设计实际应用中水下航行器表面结构。
2.根据权利要求1所述的一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，其特征在于，所述减阻微结构为V形脊状结构、L形盾鳞结构、N形锯齿结构、U形凹槽结构或梯形凹槽结构。
3.根据权利要求2所述的一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，其特征在于，所述减阻微结构中槽高为h，槽宽为s，其中
Figure FDA0003465505300000011
Figure FDA0003465505300000012
式中，h+与s+均为无量纲常数，v为运动粘度系数，U0为来流速度，Re为雷诺数。
4.根据权利要求3所述的一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，其特征在于，所述水下航行器表面减阻率η为
Figure FDA0003465505300000021
式中，FWall-smooth为光滑壁面的摩擦阻力，FWall-rough为表面布置减阻微结构后壁面的摩擦阻力。
5.根据权利要求1所述的一种在水下航行器表面布置微结构进行减阻的方法，其特征在于，所述减阻微结构布置在水下航行器中部表面上。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN116853410A (zh) * 2023-08-09 2023-10-10 中国船舶科学研究中心 一种减小水下航行体阻力的协同减阻方法

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