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1、非光滑结构减阻机理及应用探索,一 流体阻力概述 二 非光滑结构研究现状 三 非光滑结构减阻机理 四 不同非光滑结构减阻对比 五 非光滑结构在轮胎花纹设计的应用可行性,一 流体阻力概述,1.1流体阻力 流体阻力是指在流体力学中,流体流过模型所遇到的阻力。 流体阻力的产生归根于流体能量的发散(或称“耗散”)。能量发散主要通过边界粘性阻力损失、流体微团撞击损失和流线弯曲的发展形成漩涡等方式产生阻力。,流体流过模型表面,所受的阻力主要包括摩擦阻力和压差阻力。 摩擦阻力主要包括黏性剪切应力和湍流雷诺应力2种。 在壁面上,黏性阻力起主要作用,离开壁面之后,大量微团的脉动使得雷诺应力其主要作用。 剪切应力主
2、要是表面摩擦力所引起的应力。 雷诺应力是紊流时均流动中由于流速脉动引起质点间的动量交换而产生的附加应力。,目前普遍观点认为壁面湍流缓冲层中相干结构猝发过程是产生湍流的根本原因,也是壁面摩擦阻力大幅度增加的根本原因。要减小壁面摩擦阻力,就要控制湍流的产生,保持壁面湍流近壁区域流动状态的平稳和有序,减少缓冲层混乱的流动现象和相干结构猝发的发生。,1.2流体减阻降噪的主要方法,微气泡减阻法 柔性壁减阻法 聚合物添加剂减阻法 高分子涂层减阻法 非光滑表面减阻法,非光滑表面减阻法,非光滑表面减阻技术是通过表面该形控制流体边界层内的湍流结构,从而控制湍流动能消耗,实现减阻的目的。相对其他减阻技术,非光滑表
3、面减阻技术不需要额外增加辅助设备,只需要在物体表面加工出满足一定尺寸要求的非光滑几何单元即可。因此,非光滑表面减阻技术也不断成为减阻技术的研究热点。,二 非光滑结构减阻研究现状,非光滑结构:非光滑结构是指在光滑表面基体上至少在某一方向上引起非光滑效应的区域的表面。 利用非光滑表面减阻首先是从仿生学研究中开始。自然界的生物经过数百年万年的进化和选择,形成了能够适应环境的特殊体表结构。,2.1典型非光滑结构,扇贝,鲨鱼,蜣螂,鸮,2.2研究现状,五十年代末,Stanford大学利用流场测试的技术发现在粘性底层的近避区存在着湍流猝发的现象。该发现引导人们开始采用从改变湍流边界层近壁去湍流猝发结构的角
4、度来降低流体阻力。 1967年,乌克兰基辅水动力学研究所提出了条纹沟槽表面降低水流动阻力的可能性机理,并提出了了“riblets”名词。 美国NASA兰利研究中心最先开展沟槽平板湍流减阻的研究。其中,V形沟槽,且h/s=2时,减阻效果最好。 俄罗斯、韩国、德国等国家也不断地对不同仿生结构研究以其获得最大的减阻效果。,吉林大学的任露泉院士研究了三角形、扇贝形和刀刃性三种仿生非光滑沟槽表面流场特性。主要针对机械领域,介质为空气。 西北工业大学胡海豹、潘光。主要针对航海领域,介质为水。 北京航空航天大学的王晋军。针对航空领域,介质是空气。 南京航空航天大学的潘家正。针对航空领域,介质是空气。 此外,
5、石油大学,西安交通大学以及海军工程大学等科研院校,从形态上看,研究较多的沟槽主要有V形、U形、L形以Space-V形,其中,V形槽表面是研究者研究最多的表面,也是公认为具有最佳的减阻效果。,目前针对沟槽减阻的主要研究工作,1 沟槽减阻机理的研究 2 沟槽形状对减阻效果的研究 3 减阻方法的研究 主要集中在研究流体阻力减阻,同时兼顾流体阻力和流体噪声的研究不多见。,三 非光滑结构减降噪机理 3.1流体流场特性,近壁区流场特性三维图,近壁区的湍流猝发过程,会影响到整个湍流边界层中湍流的产生和湍流动量、能量输运过程。正是这种周而复始的猝发过程产生流动阻力。 湍流减阻降噪的基本思想就是:减少边界层内的
6、湍流,限制边界层内流动的三维性。也即阻碍湍流猝发过程的进行,降低猝发频率以及削弱湍流猝发强度。,3.2 非光滑结构减阻机理,第二涡群理论 突出高度论,3.2.1第二涡群理论,第二涡群稳定在波谷,抑制湍流猝发并削弱了湍流猝发强度,进而减弱了边界层的发展和边界层动量交换的过程,相应的速度脉动和压力脉动减小。 增加了流体粘性底层的厚度,减小了壁面摩擦阻力实现减阻效果。,3.2.2突出高度理论,突出高度:沟槽尖顶到沟槽表面对应的等价光滑表面的距离。 将带有沟槽结构的表面转化为平板表面,通过复变函数方法得到沟槽结构表面近壁区的速度分布,从而确定突出高度值。表观起点以下沟槽内的流动绝大部分为粘性所阻滞,相
7、当于增加边界层厚度,减小速度梯度。 “突出高度之差”理论,四 非光滑结构减阻效果对比及机理探索,三维V形沟槽放置位置对减阻效果的影响 不同非光滑结构形式对减阻效果的影响,4.1 三维沟槽模型,顺流,横流,V形沟槽对减阻效果的对比,顺流5m/s,横流5m/s,横向流动时,脊状小肋峰以下大部分流动被小肋及粘性所阻滞,而当顺流流过脊状结构表面时,则只有相对较小的一部分流动被阻滞。 脊状内的速度分布来看,顺流的速度梯度明显小于横流的速度,这样,顺流使得边界层厚度大于横流的边界层厚度。 脊状结构表面的小肋对横向流的阻滞作用远远大于对顺流的,因而要减小扰流物体的阻力只能是在物体表面增加与流向同方向的沟槽。
8、 脊状减阻机理相对光滑平面,沟槽小肋峰阻碍了瞬时横流的发生,而此横流是由于流体湍流运动引起的。因此,脊状结构的作用便是使边界层内整个湍流动能变化减小,从而使脊状结构表面的摩擦阻力减小。,4.2 不同非光滑结构对减阻效果的影响,光面(1),V形(2), 凹坑(3),凸包(4), 矩形(5),4.2.1摩擦阻力系数减阻效果对比 水介质,非光滑结构的速度梯度分布明显小于光面结构,说明非光滑结构边界层内剪切力小于平板,剪切力使大尺度涡变小,小尺度涡消失,从而抑制了流向涡对在展向集结低速流体的能力,使得低俗带缓慢上升,一方面意味湍流猝发场所减小,另一方面流动不稳定性减弱。,4.2.2不同沟槽边界层速度对
9、比(m/s),从图中可以看出,除了光面之外,其余的非光滑结构的速度分布都有一段呈抛物线的二次分布,这一段就是脊状内反向涡的速度分布,尺寸不同,涡的速度不同,(已有的研究表明,尺寸越大,涡的速度越大,涡的半径也越大)。由于反向涡对其周围的流体具有抑制作用,因此,非光滑结构不同,速度变化程度不同,边界层的厚度不同。,4.2.3壁面局部摩擦阻力系数对比,平板变化很小,非光滑结构不同位置的局部阻力系数变化较大,但是,通过对不同结构的摩擦阻力系数的平均,V形沟槽减阻效果最好,矩形沟槽没有减阻效果。,4.2.4剪切力对比(pa),平均剪切切 平板:0.913782 V形:0.821545 V-1-1形:0
10、.436875 沟槽形状对减阻有明显的影响,4.2.5 V形沟槽内速度对比(m/s),沟槽湍流边界层内速速分布在垂直流向的方向有很大的变化,其壁面速度梯度在沟槽尖峰顶部达到最大,沟槽底部最小,V槽中部壁面速度梯度和沟槽底部均小于光面结构速度梯度,主要是受到二次涡的影响,说明脊状内部剪切力比光面小,具有减阻效果。,4.2.6 雷诺应力对比,根据雷诺应力的物理成因,在速度脉动大的地方,雷诺应力大;速度脉动小的地方,雷诺应力小。湍流强度是速度脉动的平方根与时均速度的比率。因此,可以通过湍流强度的大小看出速度脉动的大小,从而推断雷诺应力的大小。,湍流强度对比,非光滑结构前端,非光滑结构处,五 非光滑结
11、构在轮胎花纹设计应用的可行性,在工程流体领域,非光滑结构减阻主要用在壁面边界近似刚性的模型上,如航空飞机、轮船、轴流风机等机械上,非光滑壁面不会受到外在应的影响而发生结构或参数的变化。 从已有的非光滑结构研究成果来看,凹坑和V形沟槽相对较多,减阻效果比较突出。 考虑到轮胎花纹实际加工的情况和轮胎花纹在轮胎滚动过程中花纹挤压变形,那么,在沟壁处的设计的非光滑结构就会发生变形。该变形是否会影响非光滑结构减阻降噪效果有待探索。,花纹设计为凹坑沟壁,在轮胎挤压过程中,受到橡胶变形引起凹坑结构尺寸变化,凹坑底部向前后向后突起,形状发生改变,对减阻效果有阻碍作用。 V形沟槽在收到橡胶变形会使的沟槽尖峰突出,结构变化不明显,从而对减阻效果影响较小。 下一步的工作主要针对V形沟槽来开展研究。结合模具的设计,研究V形沟槽的在花纹沟壁的布局和参数以综合提高轮胎滑水速度和降低花纹空气噪声。,谢谢大家,
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