仿生射流表面流场控制减阻数值模拟.pdf

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1、第22卷3期应用基础与工程科学学报V01．22．No．32014年6月JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGJulie2014文章编号：1005-0930(2014)03-0574-010中图分类号：TB17文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005-0930．2014．03．016仿生射流表面流场控制减阻数值模拟李芳，赵刚，刘维新，孙壮志(哈尔滨工程大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001)摘要：利用SSTk-to湍流模型对仿生矩形射流表面的减阻特性进行数值模拟，解释了射流表面减小摩擦阻力的原因及对近壁区边界层的控制行为．结果表明，

2、射流孔面积相等时，射流孔与射流表面沿展向长度的比值越大，减阻效果越好．当其它因素不变时，随着射流速度的增大减阻率逐渐增大，随着射流流量的增大减阻率逐渐增大，最大减阻率为35．97％．射流表面对边界层的控制行为表现为主流场近壁区的剪切流动遇到射流的阻抗，在射流孔的背流面形成逆流区，逆流在边界层底层产生的剪应力与主流场方向相反；同时在射流孔下游产生反向旋转涡对并在近壁面诱导出二次涡，相当于在高速流体与壁面之间产生润滑带，使边界层黏性底层厚度增大，速度梯度减小，摩擦阻力减小．关键词：仿生射流表面；减阻；数值模拟；边界层近年来，仿生工程是研究的热门话题，文献[1—5]在仿生非光滑表面减阻方面效

3、果显著．从鲨鱼呼吸过程中的鳃裂射流功能得到启发衍生而来的仿生射流减阻技术在船舶方面具有广阔的应用前景，船体表面射流能够减小船体表面的流体摩擦阻力．射流表面减阻技术的研究相对较少，主要集中在高超声速飞行器表面减阻．蔡晋生等研究了拱柱体侧向射流与超声速来流的相互干扰，Barber等研究了平板物体上侧向射流喷管出口形状对物面压力分布的影响．石清等研究指出随着射流速度幅值的增加，翼型的平均升力系数和阻力系数都要增加，射流频率对升力的影响呈非线性．轴对称钝头体或逆向射流会增加激波的脱体距离，在钝头体前面形成低压回流区，从而起到减小激波阻力的作用引．Chen等副研究了两种喷压比下不同射流模式产生的

4、机理，并分析了湍流机制对流场的影响．姜国强等¨对多种喷口形式和流速比工况下的流速场和涡量场进行了数值计算，模拟得到了其漩涡结构发展演化特性．谷建龙等[】研究了流速比对射流的影响，曾玉红等-l指出流速比是影响射流的主要因素．赵刚等删从鲨鱼鳃部射流功能得到启发，提出了仿生射流减阻技术，并取得了较好的减阻效果．本文在分析鲨鱼鳃裂参数的基础上，建立矩形射流表面模型，分析射流孔与射流表面沿展向方向的比值Ii}、射流孔面积A；、射流速度以及射流流量Q对减阻效果的影响规律，以研究射流表面的减阻特性及减阻机理。收稿日期：20l3Jn58；修订日期：2013．I1．15基金项目：国家自然科学基金项目(5

5、1275102)作者简介：李芳(1985一)，女，博士研究生．Tel：18745136760；E·m8il：hfang71118@163．com李芳等：仿生射流表面流场控制减阻数值模拟5751仿生射流表面模型本文的仿生对象为白斑星鲨，软骨鱼纲，真鲨目，全长865．4mm，体重2．62kg，头长170．5mm，每侧有5个鳃裂，鳃裂长度为l1．20mm，宽度为1．5—5mm．从鲨鱼鳃部射流功能得到启发，并对其进行合理的简化，将鲨鱼鳃部周围的体表结构抽象为平面，将鲨鱼的鳃裂形状抽象为矩形的射流孔，建立计算域如图1所示，其参数为：方向为流向，L=50mm，Y方向为展向，L=10mm，方向为垂直

6、方向，L=10ram．坐标系的原点位于射流孔中心，方向沿主流场方向，方向沿射流方向，Y方向由右手法则设定；人口断面距坐标原点为L，=10mm；射流孔距两侧壁等距离，射流孔沿展向方向的长度为，沿流向方向的长度为Ⅳ，射流孔的面积为Ai．面图1计算域示意图Fig．1Schematicofcalculatedregional射流角度为90。，即与主流场方向垂直；射流速度为；射流孔形状比例因子k=N／L,．主流场速度=10m／s，具体的模型参数如表1所示，模型1—5代表具有不同射流孔参数的射流表面模型．为便于比较射流表面与光滑表面边界层流动特性，将计算流域的上表面作为与射流表面进行对照的光滑表面

7、，二者具有相同的流场条件．表1模型参数Table1ModelparameterN／ramkmm2模型1O．5O．81，2，3，4，642l0．81，2，3，4，6832O．81，2，3，4，61642O．41，2，3，4，68540．20．5，1，2，3，482数值模拟2．1控制方程和湍流模型基本方程为李芳等：仿生射流表面流场控制减阻数值模拟2．3边界条件(1)人口断面(xl=一10mm)：速度入13边界条件，人121速度为10m／s，湍流强度