湍流降阻应用实例Word文档格式.docx
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表1三种沟槽表面上网格点数列表
形状
顶角
s
h
沟槽表面网格数
网格总数
沟槽表面积
三角形
90°
0.1
5×
10-2
14
181023
4.53×
10-6
扇贝形
-
16
197821
4.95×
刀刃形
21
240005
6.00×
在ANSYS中建立的几何模型如图2(a)所示,计算域展向长度为0.8mm,流向长度为4mm,垂向高度为4mm。
图2(b)~2(f)为离散后的CFD模型,扇贝形和三角形离散的六面体网格图相似,在此只列出三角形的CFD模型,沟槽表面所划分的网格点数列于表1中,刀刃形沟槽表面形状比较特殊,很难划分六面体网格,只能划分四面体网格。
2.2边界条件
流场分析时认为流场稳定,各参数不随时间变化;
流体为不可压缩流,密度和黏性等物理性质不随时间变化;
不涉及传热问题;
采用各向异性假设。
用有限体积法求解N-S方程,近壁区采用B-L两层湍流模型,远离壁面区采用雷诺应力湍流模型(RSM),边界条件为光滑表面与沟槽表面施加固壁无滑移条件,即上下壁面X,Y,Z三个方向速度为零,入口处给定质量流率m=0.2kg/s,流向和垂直于流向的方向施加周期边界条件。
计算温度t=20℃,流体介质为水,动力黏度μ=0.001N×
s/m2,密度ρ=998kg/m,运动黏度υ=1×
10-6m2/s,雷诺数Re=6.0×
105,雷诺数计算时取过流断面水力直径为特征长度。
3三种仿生非光滑沟槽表面流场分析
3.1剪应力分析
计算结果表明三种沟槽表面剪应力均小于光滑表面,具有减阻效果,但由于沟槽形状的不同减阻效果不同,三角形沟槽减阻效果最差,刀刃形沟槽减阻效果最佳。
图3沟槽表面应力云图
光滑表面单元平均剪应力为1.2×
104N/m2。
由沟槽表面剪应力云图3可以看出三角形沟槽表面
最大剪应力为1.07×
104N/m2,,比光滑表面减小10.8%;
扇贝形沟槽表面最大剪应力为5.1×
103N/m2,比光滑表面减小57.5%;
刀刃形沟槽表面最大剪应力为4.5×
103N/m2,比光滑表面减小62.5%。
由图3~4可见三种沟槽表面高应力区出现位置及面积不同,三角形沟槽高应力区起始位置最低并且面积最大,壁面总阻力最大,减阻效果最不明显;
刀刃形沟槽高应力区出现在刀刃尖端非常窄的带形区域内,起始位置最高并且面积最小,壁面阻力最小,减阻效果最好。
图5三种沟槽表面及光滑表面展向及垂向速度矢量图
3.2速度场分析
图5给出了三角形、扇贝形和刀刃形沟槽表面和光滑表面展向和垂向速度矢量图,通过对比可见沟槽表面对湍流结构产生影响。
三种沟槽表面流向涡的展向运动都产生分离并生成二次涡,但是二次涡的位置、近壁区流体上冲和下扫运动的强度不同。
Choi曾指出沟槽减阻与否与沟槽面漩涡有很大关系[12]。
三角形沟槽表面二次涡位置最低,壁面受高强度流体上冲和下扫运动强度最大,动量传输最强,故壁面受高应力影响区域的面积最大,由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最小,谷底附近流体受壁面阻碍并且安静流区域面积最小,所以层流底层厚度最小,壁面总阻力最大,减阻效果最差。
刀刃形沟槽表面二次涡停留在沟槽尖顶附近,位置最高,与壁面相接触的流体运动强度最弱,壁面几乎不受高强度流体上冲和下扫运动影响,壁面流体的动量传输较低,由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最大,谷底附近安静流体的运动比较自由并且区域最大,所以层流底层厚度最大,整个非光滑表面剪应力最低,总阻力最小,减阻效果最好。
图6雷诺剪应力曲线图
3.3雷诺应力分析
由图6雷诺剪应力曲线可知三种沟槽表面的雷诺应力均小于光滑表面。
光滑表面、三角形、扇贝形和刀刃形沟槽雷诺应力最大值分别为8m2/s2、7.8m2/s2、7m2/s2和6.2m2/s2。
雷诺应力是横向脉动在剪切场中的体现,横向脉动体现了平均剪切率产生的流向脉动动能的传递。
故三角形沟槽表面附近横向脉动最大,对流向脉动动能的传递功能最强,流体对壁面的作用力最大,壁面摩擦阻力最大,减阻效果最差;
刀刃形沟槽表面横向脉动最小并且流向脉动动能的传递功能最弱,流体对壁面的作用力最小,壁面总阻力最小,减阻效果最好。
3.4湍流统计分析
图7为光滑表面与三种沟槽涡量曲线图。
由计算结果可知光滑表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量平均值分别为1.5×
1051/s、3.8×
1061/s和5×
1051/s。
三角形沟槽表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量的最大值分别为1.25×
1051/s、2.5×
1061/s和2.0×
1061/s;
扇贝形沟槽三个方向涡量的最大值分别为1.05×
1051/s、2.0×
1061/s和1.5×
1061/s,小于三角形沟槽表面上相应涡量值;
刀刃形沟槽三个方向涡量的最大值分别为1.0×
1051/s、1.8×
1061/s和2.4×
1061/s,在三种情况下最小。
由此可见三种沟槽表面流向涡量和展向涡量的最大值小于光滑表面附近相应涡量的最大值,垂向涡量最大值大于光滑表面,即沟槽抑制流向涡的展向运动。
由于三角形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最大,与光滑表面相应涡量值的差距最小,流向和展向涡量被三角形沟槽表面减小的程度最小,故其对流向涡的展向运动的抑制作用最不明显,对湍流拟序结构的影响程度最差,减阻率最低[13]。
刀刃形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最小,与光滑表面相应涡量值差距最大,流向和展向涡量值被刀刃形沟槽表面减小的程度最大,故其对流向涡的展向运动的抑制作用及对湍流拟序结构的影响程度最大,减阻率最高。
图7沟槽三个方向涡量图
表2计算结果与实验结果对比表
光滑表面阻力FS(N)
非光滑表面阻力FNS(N)
减阻率
FNS-FS/FS
WALSH
BECHERT
0.0378
0.0366
-3.2
-2
-2.5
0.0372
0.0338
-9.1
-8
-7
0.0375
0.0339
-9.7
-9
通过分析同一流态中沟槽表面的剪应力、速度场及涡量,可知三种沟槽表面高应力区起始点位置、区域面积、二次涡位置及流体对壁面上冲和下扫运动强度、层流底层厚度、横向脉动速度、流向涡量和展向涡量的不同,使沟槽减阻效果不同。
三角形沟槽减阻效果最差,刀刃形减阻效果最佳。
造成减阻效果不同的主要原因是沟槽形态不同,对湍流拟序结构的扰动不同。
沟槽顶角越小,沟槽谷底间距和沟槽表面形状曲线的斜率越大,则二次涡被抬的越高,层流底层厚度越大,沟槽对湍流拟序结构中流向涡的展向涡卷影响越大,沟槽表面减阻效果越好,为设计最佳减阻沟槽表面提供依据。
4计算结果与实验结果对比
通过对剪应力进行面积积分得到壁面阻力F。
WALSH(1982)等的风洞实验[11]和BECHERT(1997)等的油槽实验[8]为沟槽表面流场特性的研究提供了必要的实验基础。
采用与该实验条件相同的计算条件,通过对比可以看出,计算结果与实验结果有较好吻合,在相同的特征尺寸下,沟槽形状不同导致减阻效果有很大差异。
湍流降组应用实例
4.1沟槽降阻
早期,对于减阻现象的研究一般集中在利用测力天平等设备直接测量壁面所受阻力的大小。
随着研究的深入,研究者们越来越多地将目光集中在沟槽面湍流边界层内部流动结构及其相关规律的研究。
由于在层流流动中未曾发现沟槽的减阻效应,同时,又由于流体输运设备中大多数流体的流动状态为湍流,因此就其根本而言,沟槽面的湍流减阻技术是湍流理论研究的一个重要组成部分。
迄今为止,沟槽面湍流减阻技术仍未成熟,目前还未真正走出实验室。
其应用范围归纳起来主要有三方面:
飞行器、流体驱动设备、管道输运系统。
早期见诸报道的是20世纪80年代德国飞机制造商利用带沟槽的飞机机身能使飞机节省燃料8%。
而空中客车公司在A320试验机面积的70%贴上沟槽薄膜,达到了节油1%~2%的效果。
在国外,如美国、欧洲乃至我们的邻居印度近些年陆续开展的飞行器沟槽面减阻的实验研究,已经取得了较大的进展。
国内对其在飞行器上的应用研究正处于起步阶段。
如北京航空航天大学的王晋军[1]、杨弘炜[2],西北工业大学的李育斌[3],南京航空航天大学的潘家正[4]等均作了一定的工作;
KSB公司[5]在多级泵的叶片表面加工成一定形状的沟槽后综合效率提高了1.5%;
在管道输运中,1984年,Nitschke[6]通过测量具有流向沟槽面衬里管道的两端压差获得了一定的减阻效果。
DLRBerlin的研究机构及日本的研究人员各自对内衬沟槽面的输油或输水管道进行了减阻实验研究均发现管输量有不同程度的提高。
由上可见沟槽减阻技术具有广阔的应用前景和发展空间。
4.1.1影响沟槽面湍流减阻的因素
影响沟槽面减阻效能的因素,概括起来有沟槽面自身特性和沟槽面所处的流场环境两类。
沟槽面自身因素包括尺度和形状。
沟槽面所处流场环境因素主要有流场压力梯度、过流截面形状、来流速度等。
a.沟槽几何特性
沟槽的几何尺寸对湍流减阻的影响始终是人们研究的一个重点。
Choi[7]认为沟槽面阻力的减小或增加取决于沟
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