湍流降阻湍流减阻技术有泥沙减阻[ 1]、微汽泡及吹气和吸气减阻[ 2,3]、聚合物减阻[ 4]、涂层减阻[ 5]、磁减阻[6]、仿生非光滑减阻[7-12]等, 这些技术主要是控制边界层内的湍流结构, 特别是拟序结构, 从而达到控制湍流动能损耗, 实现减阻目的。
仿生学研究发现鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年进化过程, 形成了一种满足自身生存需要的非光滑减阻表面。
如Reif 教授在研究40 多种不同生长阶段的鲨鱼后, 发现当鲨鱼快速游动时, 表皮上有精细间隔的鳞脊, 鳞脊间有圆谷, 鳞脊的排列基本上与流动方向平行, Reif 认为, 鲨鱼皮上的鳞脊可以使边界层稳定, 减小快速游动阻力[9]。
受此启发, 用仿生非光滑技术改变近壁区流场, 减小壁面摩擦阻力, 不会给使用体带来附加设备、额外能量消耗和污染物, 仅改变壁面形状就达到减阻效果,在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法。
图1 为三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽形状参数示意图, 其中s = 0. 1mm, h =0. 05mm, 刀刃形沟槽刃宽t = 0. 2 × h 。
三种模型在相同的计算域中模拟, 将光滑表面与沟槽表面置于同一流场中, 便于结果对比, 减小计算误差。
先在ANSYS 中建立几何模型, 对其进行离散化, 再将离散单元导入GAMBIT 中, 进行网格平滑处理和区域划分, 最后将网格导入FLU ENT 中进行计算及结果显示。
为了便于观察流场运动情况, 沿流向布置8 个沟槽。
三角形和扇贝形用六面体网格离散, 刀刃形用三角形网格离散。
流向均匀划分40 个网格点, 垂向不等间距划分40 个网格点, 中心处网格最稀, 从中心向两边网格间距以0.25 倍等比速度减小, 沟槽表面划分变尺寸网格, 沟槽网格密度在谷底最稀, 谷顶最密, 网格间距从谷顶到谷底以0. 5 等比速度减小。
三种情况下沟槽表面所划分的网格密度相同, 并等于光滑表面。
图2 CFD模型表1 三种沟槽表面上网格点数列表网格总数沟槽表面积形状顶角s h 沟槽表面网格数三角形90°0.1 5×10-214 181023 4.53×10-6扇贝形- 0.1 5×10-216 197821 4.95×10-6刀刃形- 0.1 5×10-221 240005 6.00×10-6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. 2 kg/ 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= 998 kg / 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. 2×104 N/ 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1.07×104 N/ m2 , , 比光滑表面减小10.8%; 扇贝形沟槽表面最大剪应力为5.1×103 N/m2 , 比光滑表面减小57.5% ; 刀刃形沟槽表面最大剪应力为4. 5×103 N/ 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8 m2 /s2、7. 8 m2 / s2、7 m2 / s2和6. 2 m2 / 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 × 105 1/ s、2. 5 × 1061/ s 和2. 0 × 106 1/ 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 × 106 1/ s 和1. 5 × 106 1/ 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 × 106 1/ s和2. 4 × 106 1/ 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形状光滑表面阻力F S（N）非光滑表面阻力F NS（N）减阻率F NS-F S/F SWALSH BECH ERT三角形0.0378 0.0366 -3.2 -2 -2.5 扇贝形0.0372 0.0338 -9.1 -8 -7刀刃形0.0375 0.0339 -9.7 -9 -8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。