柔性表皮与微沟槽耦合作用减阻效果数值模拟

本文采用粘流数值模拟方法,通过采用Workbench搭建双向流固耦合求解器,对带沟槽的柔性平板减阻效果进行数值模拟研究。数值计算结果表明,沟槽的存在使得柔性平板的减阻效果较光滑柔性平板有所增加,且弹性模量值越小,其增加效果越明显。通过查看相应的柔性平板表面的平板法向位移及应力分布,可以看出沟槽的存在使得沟槽的存在使得柔性平板表面变形量大幅增大,因此流体缓冲效果变好,减阻性能有所增加。     

三角形沟槽表面流场的数值模拟

湍流阻力在流体运输、航空和航海等领域广泛存在,是管道、常规运输机、水上船只、潜艇和机翼等与粘性流体接触的工作部件的主要能耗来源.文章利用有限体积法对26种三角形仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算.近壁面区采用B-L两层模型,外区采用雷诺应力模型.通过与油槽实验数据定性对比,验证了数值模拟沟槽非光滑表面减阻的精度及可靠性,为软件模拟非光滑壁面流场提供依据.同时还对7种压力梯度下沟槽表面流场进行模拟,研究了压力梯度对减阻效果的影响.     

随行波仿生减阻材料几何形状的模拟数值计算

为配合研制船用喷涂聚脲仿生减阻材料,用CFD模拟数值计算所设计的材料表面的涡街随行波几何形状,确定出能稳定留驻旋涡的仿海豚皮肤表面微型凹凸起伏的具体尺寸.     

不同深度V沟槽结构的圆柱绕流减阻机理

在圆柱表面布置不同深度的V形沟槽,采用k-ω/SST湍流模型进行数值计算,研究其减阻效果,分析圆柱表面的升力系数、阻力系数、速度分布及尾流漩涡脱落状态.结果 表明,与光滑圆柱表面相比,V形沟槽深度为0.04D的减阻效果最好,阻力系数相对于光滑圆柱表面减小了34.4％.当沟槽深度为0.04D时,升力系数的均方差最小,相对于光滑圆柱表面减小了16％;随着沟槽深的增加,St先增大后减小,当沟槽深为0.04D或0.05D时,漩涡脱落频率发生明显变化;当沟槽深度为0.04D时,圆柱前后速度差最小.随着槽深的增加,尾流漩涡表现出强度减小数量增多的趋势,当槽深为0.05D时,漩涡脱落呈双稳态.     

沟槽面减阻效果影响因素及减阻机理的分析

采用雷诺平均N-S方程和RNG k-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和粘性阻力,研究了沟槽尖峰形状和雷诺数对减阻效果的影响规律,初步分析了沟槽面减阻机理.指出:沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好,沟槽斜面中下部的壁面应力随着圆角半径的减小而降低,但尖峰处的局部壁面应力会随之增大;来流速度对沟槽减阻率的影响很大,对于一种尺度的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,而沟槽面在沿来流方向上的布置位置对减阻效果的影响非常小;沟槽尺度对减阻效果很剧烈;沟槽尖峰处生成的二次涡是产生减阻效果的根本原因,二次涡的强弱与沟槽减阻率的大小紧密相关.     

鲸豚表皮微尺度柔性变形的减阻原理研究

鲸豚类海洋高速动物具有突出的低阻高效游动能力,一直是仿生学的重要研究对象.为了探索柔性表皮减阻的可行性,在参考国外关于活体齿鲸类海洋动物表皮观测结果的基础上,本文采用RANS方法和动网格技术建立了仿生表皮微尺度柔性变形的数值模拟方法.文中对不同柔性变形的仿生表皮,以及刚性波面、刚性平板开展了对比数值计算,详细对比了流场和阻力成分,并重点分析了减阻原理.研究表明,随行波柔性表皮在波速高到一定程度时可实现明显减阻.     

基于仿生的非光滑表面防污减阻技术发展现状分析

基于船舶防污减阻的必要性,从仿生角度出发,介绍了仿生表面防污减阻这种新型环境友好型防污方法。重点分析了鲨鱼、海豚、贝壳和甲鱼壳等仿生原型的表面微结构,探索了这些生物表面微结构的防污减阻机理。基于生物表面微结构的防污减阻效应,阐述了现有的水生生物非光滑表面防污减阻技术,最后对仿生表面防污减阻方法进行了展望。     

水下微结构功能表面设计及减阻特性研究

研究表明,当物体表面存在微结构时,可以减小阻力,降低能源消耗。本文设计M形和V形两种微结构,使用SST k-ω湍流模型,分析微结构的减阻机理及影响微结构减阻的因素。将V形微结构应用于水下航行器模型,探讨湍流状态下外流域的减阻率和流场变化。结果表明微结构能够减缓湍流猝发过程,降低湍流猝发强度,改善边界层的流态;当微结构夹角为60o、高度小于0.04mm时具有较好减阻作用;V形微结构在水下航行器模型中的减阻率达到1.77%,且减阻率随布置面积增加而增大。     

船用梯形微沟槽表面减阻效应的仿真分析与实验验证

基于微沟槽减阻机理,采用改变船体表面微结构形貌尺寸的方法,以期降低船舶运行中的航行阻力,提高船舶航行效率,节约能源。利用流体软件FLUENT对梯形肋条和梯形沟槽两种微结构表面流场进行模拟仿真,分析了沟槽深宽比h/d1的减阻效果。仿真结果表明,对于梯形肋条,在h/d1时均具有减阻效果,当h/d为0.45时减阻效果最好;对于梯形沟槽,当h/d为0.30、0.36时表现为增阻,h/d为0.45、0.60、0.75时表现为减阻,其中当h/d为0.60时的减阻效果最好。为了验证模拟计算的规律,进行了阻力冲刷实验,实验结果与模拟计算结果的对比分析表明模拟计算与实验结论一致。     

基于格子Boltzmann方法的液润表面减阻规律

[目的]近年来,液润表面(LIS)作为一种新型的减阻表面被提出。它将传统疏水表面微沟槽中残存的气体替换为润滑油,进而提高了减阻效果的稳定性。为了更全面地认识液润表面,研究润滑油溶解性对滑移长度的影响。[方法]基于格子Boltzmann方法(LBM)伪势模型,对液润表面的滑移现象进行数值模拟,研究润滑油溶解密度和外部剪切率对滑移长度的影响规律。[结果]液润表面可以产生滑移现象,当润滑油完全混溶或极难溶时,滑移长度与组分间分子作用强度有较好的线性关系。[结论]润滑油难溶于水时,组分间作用力越大,减阻效果越好。且滑移长度不显著依赖于剪切率,润滑油的减阻特性与传统超疏水壁面的减阻特性有相似性。     

基于声类比的仿生圆柱壳流噪声特性研究

本文基于鲨鱼皮表面的齿状结构对圆柱壳表面进行改形设计,设计了3种典型仿生圆柱壳结构.采用大涡模拟(LES)结合Lighthill声类比方法对仿生圆柱壳的流噪声进行求解,并讨论了仿生圆柱壳流动噪声的特性和机理,最后对圆柱表面的齿状结构进行了优化.结果表明,仿生圆柱可以降低脉动压力的幅值,同时能够改善尾流流场,减少圆柱尾流涡量,从而起到降噪作用.3种仿生圆柱中,V型仿生圆柱的降噪作用最佳,且Ⅴ型圆柱的s/h的临界值在2.5左右,s/h＞2.5时,V型仿生圆柱不再具有降噪作用.     

沟槽面湍流边界层减阻特性研究

在光滑平板中分别嵌入一段不同尺寸的沟槽板,通过分析构槽板前后流场速度分布、紊动特性等的变化,得出：沟槽板上粘性底层厚度比沟槽板上、下游光滑平板处增大,沟槽板上流速分布对数公式中的C值也比上、下游光滑平板的C值大,说明沟槽板上局部摩擦阻力较小,进而对沟槽板局部减阻特性进行了深入的探讨。     

平板微气泡减阻预报及影响因素研究

假定气-液两相流均匀混合,且微气泡在水流中存在滑移,运用流体计算软件Fluent中的混合多相流模型对平板微气泡减阻过程进行数值模拟,研究了微气泡流的减阻机理及喷气速度与主流速度之比、微气泡大小、空隙率分布等对水中运动平板减阻效果的影响规律,并指出微气泡减阻率为喷气速度与主流速度之比的非线性对数函数,且存在相对饱和喷气速度,同时建立了一个平板微气泡减阻率大小的预报模型,并从理论上对减阻效果进行了预报。     

基于OpenFOAM的平板微气泡减阻数值分析

本文基于OpenFOAM两相欧拉求解器(twoPhaseEulerFoam)对二维平板进行微气泡减阻数值模拟。模型直接求解两相N-S方程,同时采用标准k-ε湍流模型,并考虑两相间作用力的影响,通过求解界面输运方程来模拟气泡的聚并和破碎。将数值结果和Madavan[1]试验结果进行对比,验证了模型的可行性。分析了不同流速下气泡直径、通气速度、浮力对减阻率的影响,并且研究了气泡对边界处流体速度分布、气体体积分数的影响。从数值结果可以看出通气速度较大且气泡直径较小时,减阻效率高,并且浮力对减阻有一定影响。     

基于仿生的船体防污减阻协同作用及其进展

船体防污和减阻一直是研究的热点,几十年来,船舶、制造、材料等领域的许多学者从不同角度对防污、减阻机理与技术进行了广泛研究,已取得了一系列的丰硕成果。但迄今为止,防污与减阻技术的研究仍分属于2个不同的研究领域,如果将微结构仿生防污延伸到微结构的主动仿生减阻,利用仿生表面微结构同时实现防污和主动减阻,构建仿生防污、减阻的一体化技术,这将具有重要意义,可望为解决防污、减阻2种技术分别使用时面临的技术难题提供新的思路。本文提出船体防污减阻协同作用技术的概念,分析它具有的优势,并详细介绍基于贝壳仿生的防污减阻协同作用技术及其实现手段。     

电解水式驻留微气泡减阻技术及其可行性分析

在通常的气幕减阻技术中,由于气泡的不断流失容易产生能耗增大、减阻效果下降等问题。该文提出一种利用驻留微气泡的减阻技术。微气泡产生于阵列布置于航行体表面的微凹坑中,并在航行过程中稳定驻留于凹坑处,从而有效降低局部摩阻系数;微气泡通过电解水产生,并可反过来对电解反应进行自适应控制,从而自适应地控制供气量和气泡形状。通过初步数值模拟和实验,对影响气泡驻留的因素进行了定性的分析。设计了一种电解反应自适应控制的凹坑结构,用于气泡形状和电解反应的自动控制。通过数值计算,对一特定条件下驻留微气泡的理论减阻能力进行了讨论。     

疏水微形貌表面水下减阻研究进展

疏水微形貌表面减阻是一种新型仿生减阻方法,也是国内外减阻研究领域的热点之一。该文在分析天然及人造疏水微形貌表面界面一般特性的基础上,从壁面滑移流动、表面微形貌等角度总结了国内外疏水微形貌表面减阻理论研究的最新成果,然后分类给出了近年来疏水微形貌表面减阻微观及宏观试验的研究进展,最后分析了疏水微形貌表面可能的减阻机理及目前存在的技术问题。     

随机粗糙与沟槽面复合结构减阻特性研究

采用旋转锥板式剪切力的测试系统,测试了不同试样对甘油和水混合液的减阻性能.制备得到的优化复合结构在剪切率为200s-1～2000s-1时,可实现减阻约从130%～19%,且减阻率随剪切率的增加呈递增趋势;在剪切率2000s-1时,最大减阻可达18.9%分析表明,粗糙结构、沟槽结构及沟槽的排列方式共同作用,实现了试样减阻效果大幅度提高和减阻范围的扩展.     

高速深V型船新型艏部减阻附体方案设计及模型试验研究

为探索研究高速深V型船新型减阻技术,针对高速深V船型艏部兴波的产生原因及兴波阻力的产生机理,提出了一种压抑船艏兴波以减小兴波阻力的减阻思路,获得了一种新型的船艏抑波减阻附体方法。以某具体的高速深V型船为对象,通过CFD数值模拟进行了目标航速下的抑波减阻附体的设计,在此基础上,利用高速船模拖曳水池进一步开展了深V型船艏部减阻附体方案效果的验证试验。结果表明,所设计的抑波减阻附体在水线长4.24m的船模上实现了目标航速(弗劳德数0.447)下总阻力减小6.67%、剩余阻力减小15.7%的效果,在实船尺度下该抑波减阻技术的减阻效果进一步增大。     

基于快速性和耐波性的倒V型船首改型设计

利用CFD数值模拟仿真计算,以减摇减阻为目的,在倒V形船艏的基础上进行船艏改型设计。利用商业软件FineMarine对原型和改型的静水阻力、波浪增阻、纵摇幅值、升沉幅值、波浪中的运动响应等进行数值计算,并对比计算结果,评价改型效果。计算结果表明,改型后静水阻力、规则波中的升沉和纵摇均有不同幅度的减小。