条纹沟槽湍流边界层减阻特性研究.doc

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1、条纹沟槽湍流边界层减阻特性研究郭晓娟，潘光，段卓毅中航一集团第一飞机设计研究院气动设计室摘要：本文主要针对半圆型垂直于流向的条纹沟槽微观流场和平板表面流场进行了模拟计算，并首次对此种状态下的条纹沟槽减阻特性从速度分布，粘性底层厚度，剪切应力等方面进行了全面细致地研究，研究结果表明：条纹沟槽得粘性底层厚度较平板有了明显地增加，剪切应力和局部摩擦阻力系数比平板有了较大幅度地降低，速度梯度明显减小，这些都使条纹沟槽起到减阻地作用。关键词：条纹沟槽，湍流边界层，减阻特性Drag-RedctionCharacteristicsofTurbulentBoundaryLayerFlowoverGrooveS

2、urfaceGUOXiao-juan,PANGuang,DUANZhuo-yiAerodynamicDepartment;TheFirstAircraftInstituteofAVIC-I;Xi,an;shanxi;chainAbstract:Simulatedandcomputedtheturbulentlayerofthesemicirculargroove.Thethicknessofviscoussub-layer,distributionofvelocity,shearstress,andlocalfrictioncoefficicentaredeeplyanalyzed,allth

3、isparameterswerecomparedwithsmoothplate,andtheresultsarealsodiscussed.Itisfoundthatthethicknessofviscoussub-layerofgrooveisthicker,andthevelocitygrandients,shearstressandthelocalfrictioncoefficientofgrooveareallresuced.Allofthesemakethedragofgroovereduce.Keyword:groove,turbulentboundarylayer,drag-re

4、ductioncharacteristics条纹沟槽减阻是近年来兴起的一种减阻方法。与其它减阻方法相比，条纹沟槽减阻技术不需要改变飞行器结构、外形，不需要增加辅助设备，性能稳定，使用范围广，且价格低廉，在军用和民用方面都有很大的经济价值。1.控制方程的建立及求解为了真实地模拟计算沟槽表面微观流场的结构，采用雷诺平均Navier-Stokes方程＋湍流模型的方法。1.1湍流模型及湍流近壁处理【1】选择模型时主要依靠以下几点：流体是否可压、建立特殊的可行的问题、精度的要求、计算机的能力、时间的限制。经过深入地分析，计算时采用了模型，模型可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。对近壁区的流动

5、情况变化很大，特别是在粘性底层，流动几乎是层流，雷诺数较低，湍流发展并不充分，我们采用了壁面函数法对近壁区进行处理。1.2基于有限体积法的控制方程离散在使用有限体积法建立离散方程时，采用二阶迎风格式来建立，以保证计算结果有较高的精度；计算时，采用分离解法，SIMPLEC计算方法，加速计算的收敛速度。2．计算域的确定和网格生成本文研究的是来流方向与沟槽表面垂直时，沟槽表面的减阻特性。由于沟槽表面的减阻效果仅在湍流边界层内起作用，所以在模拟时必须保证在沟槽表面的流场处于充分发展的湍流状态下，对于平板的流动，当时达到湍流状态，经过计算，在沟槽前面必须有的流动发展阶段。计算域的高度选择方面，考虑到在1

6、0倍于沟槽高度时，速度已经稳定，所以最终确定的计算域如下图所示：图1.条纹沟槽计算域示意图图2.平板计算域示意图另外，为了和沟槽作比较，按照沟槽的尺寸，建立了一个平板模型，模型示意图如图2所示。:对于离散网格，除了要求尽量简单和尽量贴体外，还希望它稀密合理。本文所研究的沟槽表面有着特殊的结构，首先它的尺寸微小，其次其表面存在一些尖角和弧度，基于上述对不同形式的网格的研究，采用非结构化的三角形网格能够很好地满足空间离散的要求.另一方面，由于流场近壁区内速度沿壁面法向的速度梯度较大；同时已有关于沟槽表面流场的实验研究结果表明，在近壁区沟槽的底部大部分流动被粘性所阻滞，而顶部的流动参数变化较为剧烈，

7、考虑到要高保真地模拟微观流场的流动状态和特点，必须在粘性底层内有足够的网格资源，这就需要网格在壁面附近密度要大，这无疑会增加计算时间和计算空间，为了节约计算资源，采用分区划分网格的方法，使得在沟槽表面附近的网格密集，随着离沟槽距离越大，网格逐渐变疏。这样既满足了计算精度的要求又尽量降低了计算量。本文所研究的各种形状网格生成示意图如下:图3半圆型条纹沟槽网格局部放大图图4平板表面网格局部放大图3.条