脊状表面减阻特性的风洞试验研究

《脊状表面减阻特性的风洞试验研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、脊状表面减阻特性的风洞试验研究第23卷　第5期2008年10月实　验　力　学JOURNALOFEXPERIMENTALMECHANICSVol.23　No.5Oct.2008文章编号:100124888(2008)0520469206刘占一,宋保维,胡海豹,黄桥高,黄明明(西北工业大学航海学院,西安710072)3摘要:利用热线风速仪,对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。基于测得的边界层速度分布数据,利用对数律区速度分布公式,编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。研究发现,脊状表面最大减阻量达13.5%;有减阻效果的脊

2、状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降;与光滑表面相比,脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小,也表明脊状表面具有减阻效果;位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s+的增加呈现先变大后变小的趋势,在s+=12时达到最大。关键词:脊状表面;热线风速仪;摩擦速度;减阻量中图分类号:O357文献标识码:A0　引言,,被公认,通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构,来达到很好的减阻效果。该项技术在国外已投入了实际应用,如空———————————————————————————————————————————————中客车将A320试验机表面的约70%贴上

3、脊状表面薄膜,获得了节油1%～2%的效果;NASA兰利中心在Learjet型飞机上开展的类似飞行试验显示,脊状表面的减阻量约为6%左右。脊状表面减阻的物理机制在于:脊状表面与顺流向的“反向旋转涡对”作用,产生“二次涡”。“二次涡”的产生和发展削弱了“反向旋转涡对”的强度,进而抑制了湍流猝发的形成。脊状表面流场理论研究发现,脊状表面的粘性底层厚度比平板的要厚得多,表明在脊状表面近壁区存在着低速流层,使得边界层外层高速流不直接与壁面接触,而从低速流层上流过,降低了壁面法线方向的速度梯度,从而产生了减阻效果[1,2]。近些年,为了从微观流动结构方面研究脊状结构的减

4、阻原理,PIV、LDV和热线风速仪等设备越来越多的被应用在减阻研究中。与以前使用测力天平等设备直接测量阻力不同,这些设备测得的是脊状结构表面流场的特性参数,需要计算出壁面摩擦速度,才能间接给出定量的减阻效果。AnthonyKen2dall等在文献[3]中提出用Musker和Spalding公式求摩擦速度;D.Hooshmand等在文献[6]中提到用Clauser方法求摩擦速度。这些方法都要求准确测得包括粘性底层在内的边界层内层速度分布,但是对数律公式仅需要边界层对数律区的速度分布即可。由于准确测量粘性底层比较困难,因此笔者考虑利用对数律区速度分布公式,通过拟

5、合求摩擦速度。本文利用热线风速仪测量了五种不同尺寸的脊状结构表面流场,不仅从速度分布、湍流度分布方面3收稿日期:2008203218;修订日———————————————————————————————————————————————期:2008210206基金项目:国家自然科学基金面上项目(10672136);国家自然科学基金重点项目(50835009)资助通讯作者:宋保维(1963-),男,教授,目前主要研究方向:水下航行器设计、制造,流体力学,系统工程理论及其应用,计算机辅助设计与制造,机电一体化与机器人技术等。E2mail:songbaowei@nw

6、pu.edu.cn470　实　验　力　学　　(2008年)第23卷　定性的说明了其减阻效果,还通过对数律区速度分布公式,编程计算出了摩擦速度,从而给出了具体的减阻量。1　试验设备及方法试验在吸式小型低速风洞中进行。风洞风速可在0～15m/s范围内连续变化。当风洞中心流速为5m/s时,背景湍流度小于2%。风洞试验段由有机玻璃制成,截面为400mm×100mm的矩形,侧面开有窗口用以更换试验板。试验采用TSI公司的热线风速仪测量流场中流速分布及湍流统计平均量,探针使用前要用标定仪进行标定。试验测试对象为光滑平板以及五块有对称V型脊状结构的平板,外形尺寸相同,均为

7、400mm×300mm×15mm,材料均为有机玻璃。脊状结构的峰高h和槽间距s相等,即h/s=1。五种脊状结构尺寸分别为:0.5mm、0.65mm、0.8mm、0.9mm和1.0mm。　　。热线测量的位置选择,以尽量减少洞壁干扰,测量位置距离———————————————————————————————————————————————试验板前端L1=300mm,距离风洞发展段前端L24300mm(如图1所示)。试验中利用固定在坐标架上的螺旋机构移动热线探针,最小刻度为0.01mm。为了消除螺旋机构的行程误差,测速过程是距离试验板表面由近到远连续进行的。探针与

8、平板最小距离为0.3mm,这个距离是靠最小刻度为0.