湍流状态下超疏水表面流场减阻特性数值仿真研究

通过对湍流状态下具有特定微观尺寸的超疏水表面流场进行数值仿真计算,对超疏水表面流场的减阻特性进行了分析。针对超疏水表面矩形微观形貌特点,计算域采用结构化网格进行划分,采用VOF多相流模型,Realizable湍流模型,对超疏水表面流场进行仿真。结果表明:受微观形貌的影响,超疏水表面在宏观上的壁面滑移、微观凹坑处的低剪应力和近壁面的低湍流度是其具有减阻特性的重要原因;超疏水表面减阻特性受凹坑内空气体积比影响很大,但是在凹坑内全充满液体条件下,依然具有减阻效果。     

非稳态下超疏水表面减阻仿真研究

通过开展湍流状态下超疏水表面流场的非稳态数值仿真,给出了超疏水表面气层发展变化过程,并总结出其流动发展稳定时的减阻基本规律.数值仿真中,采用适用于超疏水表面流场特点的非定常雷诺平均模型,气液两相流则采用VOF多相流模型,超疏水微结构表面网格剖分采用局部加密技术.研究结果表明:超疏水表面微结构内部气体随流动不断变化,最终在每个凹槽的中上部形成稳定存在的气体漩涡;超疏水表面减阻率随来流速度增加先增大而后降低,随表面自由剪切比的增大而增大,而受凹槽深度影响不显著.     

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应。在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷（octadecyltrichlomsilane OTS）在槽道内壁形成疏水薄膜。实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8％。对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10％～30％。笔者采用micro—PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8％,滑移长度约为2μm。实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布。     

脊状表面航行器模型减阻特性的水洞实验研究

通过水洞实验研究具有横流方向的脊状表面航行器的阻力特性。运用三分力天平,分别对光滑表面航行器模型和脊状表面航行器模型在零迎角、不同水速下进行阻力测试,得到其减阻特性曲线。实验结果表明,脊状表面航行器模型具有很好的减阻效果,减阻量与脊状结构的特征尺寸、间距以及来流速度有密切关系。在实验工况内,最大减阻量达到11.7%。     

非离子表面活性剂在水流中的减阻机理

为探讨非离子表面活性剂的减阻机理,在实验确认表面活性剂APG水溶液（Alkyl Polyglucoside）具有湍流减阻功效的基础上,对其剪切粘度、应力松弛特性以及剪切双折射效应,使用锥板流变仪及流动双折射测试仪进行了实验研究。最大减阻率可达70％的APG水溶液,其剪切粘度在低剪切速率区域表现为牛顿流体特性,在大于临界剪切速率区域表现为“SIS”（Shear—Induced Structure）,呈现非牛顿流体特性;APG水溶液的剪切应力松弛特性与纯水基本相似,表明“SIS”并不具有粘弹性特性。由剪切双折射效应证实的的棒状胶束聚合结构和具有的较大拉伸粘度可认为是APG水溶液能够实现湍流减阻的主要原因。     

超疏水表面技术在发动机防冰部件中的应用

超疏水表面技术对防止发动机进口迎风部件结冰具有重要的工程应用价值。通过介绍接触角、滚动角等润湿性模型及低表面能物质微观成分,阐述了超疏水表面的工作原理,及可用于发动机防冰部件的超疏水涂层表面和超疏水金属表面的制备方法;分析了超疏水表面具有的疏水性能和疏冰性能对发动机防冰的影响;展望了超疏水表面技术在发动机防冰部件的应用前景,并提出了应用超疏水表面技术防冰存在的问题,为研制新型、高效的发动机防冰系统提供了新的思路和途径。     

气动减阻表面对平板边界层影响

基于微纳米材料的气动减阻与疏水防冰混合涂层技术,旨在通过先进表面材料的参数化设计,以减缓大型风力机叶片等的气动载荷,提升气动性能。文中通过构建边界层精确测量技术和边界层特征参数辨识方法,结合近壁流动频谱特征,研究分析了一种减阻涂层对有限长平板边界层流动的影响。研究结果表明,减阻表面的微米级结构促使边界层粘性底层形成低雷诺数分离泡和脱体微旋涡。相较于金属固壁表面,气动减阻表面层流边界层在0.1 mm尺度内的微分离泡和微旋涡,对底部流动阻滞起到疏导作用,增强了层流稳定性,从而推迟边界层转捩。通过降低固壁摩擦阻力,进一步降低边界层导致的型阻,使得气动减阻表面流动的总阻力得以减少。     

回转体表面不同间隔脊状结构的减阻数值仿真研究

将脊状表面减阻技术应用于水下回转体,对回转体表面不同间隔的脊状结构在多个速度下进行了数值仿真计算,发现了间隔对回转体脊状表面减阻效果的影响规律。针对回转体脊状表面的流场特性,在进行数值仿真时合理选择了计算模型、计算流域、计算网格及边界条件。仿真结果表明:在同一速度下,相对光滑表面而言,回转体脊状表面所受的压差阻力略有增大,但占总阻力份额80%以上的粘性阻力显著降低,从而形成减阻效果;当间隔等于脊状结构特征尺寸的3倍时,减阻效果最佳;对于同一个回转体脊状表面,低速下的减阻效果明显优于高速。     

基于气体射流的气液两相流动减阻特性

为了明确射流表面减阻特性,基于气液两相流动原理,建立具有射流功能的气液两相流动减阻计算模型,采用数值计算方法,通过RNG k-ε湍流模型对射流表面不同射流方向角、以及不同气体射流速度情况下的流场进行数值模拟及实验验证,分析气体射流对壁面黏性阻力、减阻率及流场的影响,研究气体射流的气液两相的减阻特性。结果表明:气体射流表面能够减小壁面黏性阻力,具有较好的减阻效果;四种射流方向角下,射流表面减阻率均在气体射流速度为5m/s时达到极大值,并且当射流方向角在xoz平面为-30°时,减阻率最大,为7.18%;数值模拟的减阻率效果略高于实验结果;气体射流的气液两相流动对壁面边界层进行了有效控制,减小了壁面的黏性剪应力和雷诺应力,导致壁面的黏性阻力减小,使得射流表面具有减阻性能。     

疏水/超疏水表面防/除冰原理及其研究进展

液体防冰、电热防冰、气热防冰、机械除冰等传统的防/除冰技术具有显著的防/除冰效果,但存在消耗能源大、防冰时间有限以及除冰不彻底等问题,而基于疏水/超疏水表面的防/除冰技术则具有独特的优势。本文首先阐述了利用疏水表面和超疏水表面防/除冰的原理及其影响因素;然后,总结了常用的疏水表面和超疏水表面在防/除冰中存在的问题,并指出利用液滴的反弹特性可更加有效地抑制结冰;最后,提出未来有必要对撞击液滴的动力学过程、传热过程和结冰过程的耦合特性进行系统研究,进而为利用液滴的反弹特性抑制结冰提供一定的理论指导。     

Study of riblet drag reduction for an infinite span wing with different sweep angles

This paper studies the riblet drag reduction effect for an infinite swept wing under a low Reynolds number using a large-eddy simulation. The results show that the drag reduction ratio is not linear under different sweep angles. The maximum drag reduction ratio in this study is 9.5% for a wing with a 45° sweep angle. The local surface streamline angle and turbulence quantities are calculated to analyze the drag reduction mechanism. The results demonstrate that the riblets considerably suppress the Reynolds stresses above the wing upper surface, while the turbulence kinetic energy in the near wake is increased. A possible relaminarization phenomenon is observed at the middle part of the wing. Quasi-two-dimensional flow structures are observed near the wall, and a peak frequency is considered as the dominant frequency of the region.     

沟槽壁湍流多尺度相干结构实验研究

应用热线测速技术,对沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理进行了实验研究.测量了风洞中并排放置的沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层在不同雷诺数下不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号.运用流向速度分量信号的多尺度子波系数辨识壁湍流多尺度相干结构,用条件采样和相位平均技术提取了壁湍流多尺度相干结构喷射和扫掠时流向速度分量、法向速度分量和雷诺应力分量的相位平均波形.分析了沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层中多尺度相干结构的持续时间、条件相位平均波形等特征.对沟槽壁面平板及光滑壁面平板湍流边界层多尺度相干结构的多种统计平均特征进行了比较,从壁湍流多尺度相干结构控制的角度研究了沟槽壁面平板湍流边界层的减阻机理.      

大尺度回转体脊状表面减阻试验

对表面光滑和有脊状结构的大尺度回转体模型在风洞中进行了变速度、变攻角试验,为脊状表面减阻技术的工程化应用提供了参考.对比分析发现:来流速度对脊状表面减阻效果有很大影响,减阻效果随速度增加呈现先增大后减小的趋势,在某一速度达到最佳,减阻效果提高20%;攻角对脊状表面减阻效果影响有限;脊状结构的存在对模型升力系数和俯仰力矩...     

沟槽表面边界层湍动能分布规律

 通过对不同风速下不同尺寸V型沟槽表面及光洁平板表面边界层内湍动能的测试,对比分析了沟槽表面边界层湍动能的分布规律。试验在一小型专用风洞中开展,流场测试中使用恒温式IFA300智能型流动分析仪,测试模型则采用有机玻璃材质的矩形平板结构;而在沟槽表面理论零点及壁面摩擦速度的计算中,采用基于湍流边界层Spalding壁面律公式同时计算壁面理论零点和壁面摩擦速度的改进方法。最终研究结果表明,沟槽结构主要影响边界层流场的近壁区,沟槽的存在提高了边界层中黏性底层内湍流脉动所具有的动能,有效降低了边界层中过渡区内的湍动能,最大相对降幅超过10%,较好地验证了基于“二次涡”的沟槽表面减阻理论。     

湍流减阻新概念的实验探索

本文对当今湍流表面摩擦减阻新概念进行了初步的风洞实验探索。将垂直于流动方向的小尺寸肋条按一定的间隔距离固定在平板上,利用自制的悬挂式天平测量了不同风速时的阻力,获得了约１０．２％的减阻效果。实验中分别考察了肋条参数对减阻的影响,使用Ｘ型热线风速仪研究了雷诺应力的型态。从湍流边界层涡结构的观点出发,提出了边界层底部“微型空气轴承（ＭＡＢＳ）”减阻新概念以及涡结构干扰对减阻的影响,并认为平均速度型态的     

动能BGK算法在近连续流模拟中的应用

首先比较详细地介绍了动能BGK算法的基本思想,然后应用该算法,数值模拟了克努森数(Knudsen number)为0.0001～1.56,马赫数为1.96绕圆柱的二维粘性流动,研究了滑移边界条件和无滑移边界条件对圆柱阻力的影响,通过与实验结果[5]进行比较,验证了文献[1]关于由连续流到自由分子流的这种流动模型的划分.计算结果表明:采用滑移边界条件,直到克努森数为0.3,计算得到的阻力与实验都符合得很好.因此,采用BGK算法加滑移边界条件,能够模拟由连续流到近连续区的流动.     

超声速内流道摩擦阻力分析及减阻技术研究

针对带有后向台阶的等截面受限空间,通过三维数值模拟开展了超声速内流道摩擦阻力分析及减阻技术研究。分析对比了飞行马赫数为5、6、6.5及7对应的燃烧室入口条件下相同质量氢气喷注、燃烧对壁面摩擦阻力的影响机制以及不同喷注压力对喷孔下游壁面剪应力的影响。研究结果表明,同等质量的氢气,低速喷注优于高速喷注(507、50.7 kPa喷注压力分别得到10%、5%左右的减阻效果)。近壁区燃烧得到接近70%的减阻效果;气流经过突扩结构之后,壁面剪应力呈现规律地不均匀变化,最大差异达100%;剪应力与密度变化趋势基本吻合。因此,发动机内流道减阻的关键在于营造近壁区低密度场;稳定、有效的减阻区域发生在靠后方的位置,但由于流动掺混、燃料的燃烧消耗,减阻效果沿流向逐渐减弱。      

激光等离子体减阻技术研究进展

利用激光等离子体减小高超声速飞行器的气动阻力对节能和最大限度地提高飞行器性能具有重要的意义。简单概述了高超声速飞行器的军事需求及等离子体减阻技术的分类;总结了激光等离子体减阻机理的实验研究和数值模拟情况;讨论了等离子体能量、点火位置和形状等参数对减阻性能的影响,目前利用激光等离子体技术可以减小70%的波阻。针对中国的激光等离子体减阻研究工作,分析了目前国内外研究中存在的问题,提出了深入开展激光等离子体减阻机理研究等建议。