[發明專利]平壁表面減阻功能微織構的設計方法

在審

• 申請號: 202010094617.X
• 申請日: 2020-02-13
• 公開（公告）號: CN111460699A
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 張臣;徐琰
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F113/08
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 韓天宇

1.平壁表面減阻功能微織構的設計方法，其特征包括以下步驟：

步驟1)：對邊界層進行劃分

根據普朗特的邊界層理論，在平壁擾流流動中，在氣體流動方向上，在平壁的前部，邊界層流動為層流，隨著流體沿著平壁繼續向前流動，邊界層內流動過渡為湍流，存在三個區域：層流區、過渡區、湍流區；在湍流區域，縱向方向由近壁面開始劃分為粘性底層、緩沖層和對數律層，這部分區域的外部是外流區域；

步驟2)：尺寸無量綱化

將微織構幾何形狀尺寸進行無量綱化的，無量綱高度：無量綱間距：無量綱寬度：其中y是距離壁面高度，s為相鄰微織構間距，t為微織構寬度，ν為運動粘度，v_τ為壁面應力剪切速度，可通過公式獲得，其中ρ為流體密度，τ₀為壁面剪切應力：u為來流速度，δ為邊界層厚度根據雷諾數確定，

在范圍，邊界層內的流動為層流，邊界層厚度為

在范圍，邊界層內的流動為湍流，邊界層厚度為

在區間，邊界層內的流動處于過渡狀態。無明顯邊界

式中μ為動力粘度，x為距離入口距離；

步驟3)：計算緩沖層厚度

通常近壁區在y⁺≤100的范圍內，其中黏性底層：0≤y⁺≤5，黏性切應力為主導，湍流切應力為零。緩沖區：5≤y⁺≤30，粘性切應力和湍流切應力同時存在。對數律層：30≤y⁺≤100，湍流剪應力占主導，微織構尺寸設計應在緩沖層內；

步驟4)：確定流速參數

根據設計要求，確定來流速度u；

步驟5)：確定尺寸大小

根據步驟2)中無量綱高度y⁺計算公式以及步驟3)中的范圍，計算在步驟4)中的流速情況下的微織構高度尺寸y的設計范圍；

步驟6)位置參數確定

根據雷諾數公式進行計算，根據層流轉向湍流臨界值確定層流開始向湍流轉捩時距離入口的距離，以及完全發展成湍流時距離入口的距離，根據兩個距離獲得微織構位置參數的設計范圍；

步驟7)：微尺度的驗證

由于FLUENT軟件針對模擬宏觀結構設計的，為了驗證微結構能否用宏觀的流體動力學分析模型的理論來分析，對其驗證是否存在非連續介質的維納尺度效應，對克努森數Kn進行計算,以保證阻力分析方法的可靠性，公式如下；

式中λ——分子的自由程；

L——幾何特征尺度；

K_b——Boltzmann常數；K_b＝1.38×10^-23

σ₀——分子直徑；σ₀＝3.5×10^-10m

P——流體壓力，Kn的定性壓力

T——流體熱力學溫度,取288K

步驟8)：微織構建模

利用CREO軟件，根據步驟5)和步驟6)中得到的尺寸范圍和位置范圍，進行數字化建模，并改變微織構的形狀、間距，數量參數建立多組模型，用于比較優化參數；

步驟9)：數值仿真

將步驟8)中建立的模型導入ICEM-CFD軟件中，進行網格劃分，然后導入FLUENT軟件，進行流體仿真；

步驟10)分析微織構減阻性能

根據步驟9)的仿真結果分析微織構表面壓差阻力、摩擦阻力、和總阻力的變化規律，通過總壓恢復系數TPR作為標準，評價各個微織構的減阻性能，TPR計算公式如下：

其中為出口處總壓，為進口處總壓，并分析各特征參數對阻力的影響趨勢；

步驟11)：獲得最優設計參數

根據10)中的分析結果，匯總各最優特征參數，按照步驟8-10)的過程進行數值仿真，驗證減阻效果，最終獲得具有最佳減阻效應的微織構最優設計參數。

2.根據權利要求1所述的平壁表面減阻功能微織構的設計方法，其特征在于：所述步驟4)中，來流流速大小需要注意，0.3馬赫是個臨界值，當馬赫數小于0.3，將氣體看作不可壓縮氣體，當馬赫數大于0.3時，看做可壓縮氣體，需要考慮其壓縮性。