关于CFD技术的脊状表面湍流流场特性研究.pdfVIP

第29卷第5期 空气动力学学报 V01．29。No．5 2011年10月 1 ACTAAERoDYNAMICASINICA Oct．，20l 文章编号：0258—1825(2011)05J0628JD6 基于CFD技术的脊状表面湍流流场特性研究 刘占一，宋保维，黄桥高，胡海豹 (西北工业大学航海学院，陕西西安710072) 摘要：在湍流状态下，利用计算流体力学(cFD)技术，对一系列布置不同尺寸顺流向脊状结构的表面进行了数值 模拟。模拟过程采用Reynolds应力方程湍流模型，并且编制程序设定了充分发展的湍流入口边界。通过与光滑表 面比较发现，脊状结构附近产生的流向涡是脊状表面减阻或者增阻的重要原因。流向涡改变了近壁面流场结构，引 起了边界层近壁区雷诺应力和壁面剪应力的变化，脊状表面也因此出现了减阻或者增阻的现象。 关键词：CFD；雷诺应力；脊状表面；流向涡 中图分类号：v211．3 文献标识码：A 0 引 言 1基于CFD技术的计算方法 源自于鲨鱼皮的脊状表面减阻技术已被人们成功 本文选取的是一段三维的计算域，如图l所示。 应用于石油输运、航空、航海、泳衣制造等广大的领域。 人们对脊状表面的研究逐渐深入，在通过改变脊状结构 形状尺寸以追求减阻效果最大化的同时，对脊状表面减 阻机理的研究也从来没有停止过。 美国航空航天局兰利研究中心的walsh是最早开 ■憎Id 力 始系统研究脊状表面的学者之一，他通过大量的风洞试 验得出结论：在脊状结构无量纲尺寸小于30时，脊状表 面存在减阻效果；脊状结构附近形成的“二次涡”与流 向涡的相互作用是脊状表面减阻的重要原因¨“1。日 su珊ki利用三维粒子测速设备在水洞进行了 图l计算域 本的Yuji 脊状表面减阻试验，发现脊状结构能抑制顺流向的能量 Flig．1C伽putati叩regi衄 向法向和展向转化，从而实现减阻p1，而El—Samni也通计算域底面沿茗方向分为两段，前段为平板，作为 过对矩形管道进行的数值模拟研究得到了类似的结 发展段，后段为测试段，用来对比研究脊状表面和光滑 论H】。Haech∞nChoi等利用直接数值模拟方法发现： 表面。脊状结构沿流向布置，截面形状均为高宽相等的 脊状结构无量纲尺寸小于20时，由于流向涡尺寸大约 V型。计算选取的脊状结构无量纲尺寸s+从6．7至 在30左右，无法深入脊状结构，只能停留于脊状结构顶 43．7不等。 部，因此脊状结构内(除顶部区域)流动较为安静，壁面 s+的定义为：s+=兰，其中s为脊状结构实际尺 剪应力相比光滑表面减小了’。本文对一系列表面布 口 寸，M。为壁面摩擦速度，t，为流体介质的运动粘性系数。 置不同尺寸顺流向脊状结构的表面利用CFD方法进行 脊状结构附近网格如图2所示，脊状结构内采用三 了湍流状态下的数值模拟，并对脊状表面湍流流场特性 棱柱网格，其他区域采用六面体网格。 进行了分析。 ·收稿日期：20lO—03—2l修订日期：20lO—06—09 作者简介：刘占一(1985一)，男。河南南召人．博士研究生，主要从事水下减阻研究．E-mail：li幽y2000@163．Ⅻ 万方数据 第5期