[發(fā)明專利]一種具有減阻效果的表面微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811546502.9
• 申請日: 2018-12-18
• 公開（公告）號: CN109583131B
• 公開（公告）日: 2023-09-22
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葉霞;顧江;徐偉;范振敏;楊曉紅;張鵬;陸磊;馮歡;徐勝
• 申請（專利權(quán)）人: 江蘇理工學(xué)院
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 常州佰業(yè)騰飛專利代理事務(wù)所(普通合伙) 32231
• 代理人: 王巍巍

1.一種具有減阻效果的表面微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于，該方法由以下步驟組成：

（1）建立模型：使用Icem軟件構(gòu)建二維微結(jié)構(gòu)表面的流體模型，

先建立原點，再依次以原點為參考點建立節(jié)點，整體尺寸為長為2mm，寬為0.5mm，微結(jié)構(gòu)尺寸為凹槽寬a=50μm，凸起寬b=40μm,凹槽深h=25μm；

(2)網(wǎng)格劃分：定義模型的左端為入口、右端為出口，其他為壁面，對模型進行塊的建立與劃分，保證每個微結(jié)構(gòu)作為一個獨立的塊，劃分塊之后將劃分的塊與各個部分進行關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)完成后設(shè)置微結(jié)構(gòu)處的網(wǎng)格類型為O型網(wǎng)格，在近壁面對網(wǎng)格進行加密處理，設(shè)置網(wǎng)格疏密Spacing為0.0001，生長率Ratio為1.2，確保計算的精確性，生成mesh文件，輸出mesh文件時選擇類型為2d；

(3)求解運算：計算求解所使用的計算模型為層流Laminar和VOF模型，材料設(shè)置中添加液態(tài)水，相位設(shè)置中air為第一相，water-liquid為第二相，邊界條件采用速度入口與壓力出口；初始化時在Adapt中生成兩個寄存器，定義寄存器1微結(jié)構(gòu)內(nèi)水的體積為0，寄存器2其他流體部分水的體積為1，monitors中計算收斂精度調(diào)整為0.00001，運行計算直至殘差曲線收斂，保存casedata文件；

(4)數(shù)據(jù)處理：點開GraphicsandAnimations選項，在Contours和Vectors中查看保存速度、壓力云圖以及速度矢量圖，在surface選項中設(shè)置氣液交界面以及模型中間四分之一部分的左右兩條線作為數(shù)據(jù)輸出的對象，在plots中用XYplot方式輸出交界面速度參數(shù)，在reports選項中選擇surfaceintergal，類型是面加權(quán)平均值，輸出壓力為總壓力，得到兩條線上的加權(quán)平均壓力值，兩值相減可獲得壓差值為44.59778，光滑表面上相同位置的壓差值為49.9806，計算得減阻率為9.35%；

(5)優(yōu)化參數(shù)：通過觀察本案例的減阻率、壓力云圖、速度云圖，對模型參數(shù)進行優(yōu)化，設(shè)定下組微結(jié)構(gòu)尺寸為凹槽寬a=50μm，凸起寬b=34μm,凹槽深h=25μm，求解得到減阻率為11.72%;繼續(xù)改變微結(jié)構(gòu)尺寸為凹槽寬a=50μm，凸起寬b=25μm,凹槽深h=25μm，求解得到減阻率為25.61%；微結(jié)構(gòu)尺寸為凹槽寬a=50μm，凸起寬b=10μm,凹槽深h=25μm，求解得到減阻率為35.7%；

所述步驟(1)中建立模型是使用Cad、Caxa、Icem繪圖軟件構(gòu)建微結(jié)構(gòu)表面的流體模型，微結(jié)構(gòu)尺寸可在模型中進行調(diào)整；

所述步驟(2)網(wǎng)格劃分需定義模型的出入口和壁面部分，對模型進行塊的建立與劃分，每個微結(jié)構(gòu)需要劃分為一個獨立的塊，在近壁面對網(wǎng)格進行加密處理，設(shè)置網(wǎng)格疏密Spacing為0.0001，生長率Ratio為1.2，確保輸出高質(zhì)量的網(wǎng)格,保證計算的精確性，輸出的mesh文件類型選擇2d。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有減阻效果的表面微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟(3)求解運算所使用的計算模型為VOF模型，針對不同流體狀態(tài)可選擇層流Laminar/湍流k-ε，采用速度入口與壓力出口，在Adapt中生成兩個寄存器，初始化定義寄存器1微結(jié)構(gòu)內(nèi)水的體積為0，寄存器2其他流體部分水的體積為1。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有減阻效果的表面微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟(4)的數(shù)據(jù)處理方式為選取關(guān)鍵的點處的速度、壓力作為數(shù)據(jù)輸出的對象，壓力參數(shù)選擇報告選項中的面積分，類型選擇為面加權(quán)平均值，選擇模型中間四分之一段的左右兩條線為壓力輸出對象，對比光滑表面與微結(jié)構(gòu)表面的壓差值，并采用(ΔP光-ΔP微)/ΔP光計算得到減阻率。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有減阻效果的表面微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：所述步驟(5)的優(yōu)化參數(shù)方法為通過對比數(shù)個案例的減阻率、壓力云圖和速度云圖，對模型參數(shù)進行優(yōu)化，通過優(yōu)化求解的多次循環(huán)，得到最優(yōu)參數(shù)區(qū)間。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項所述的具有減阻效果的表面微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于：該方法可運用于航運、管道運輸領(lǐng)域的減阻表面的研發(fā)設(shè)計過程。