[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

本發明公開了一種平壁表面減阻功能微織構的設計方法，屬于表面織構設計領域。根據氣體流速，結合邊界層理論，確定壁面剪切應力產生的區域，即黏性底層和對數律層中間的緩沖層。將尺寸進行無量綱化，計算緩沖層厚度，由此確定微織構高度的范圍。根據雷諾公式，計算流體從層流轉向湍流的臨界點，獲得微織構的布置區域范圍。根據以上兩個數據，進行減阻微織構設計，并利用CREO軟件建模，通過流場仿真軟件FLUENT進行仿真，分析微織構減阻情況，優化其特征參數，實現具有減阻效應的平壁減阻微織構的設計。本發明采用邊界層理論，通過對湍流區域的分層和定位，進行微織構參數設計，能夠有效縮小減阻微織構的尺寸設計范圍，減少仿真量，節約資源成本。

技術領域

本發明涉及一種平壁表面減阻功能微織構的設計方法，可用于改進平板表面的氣動性能，減少流動阻力，屬于表面織構設計領域。

背景技術

隨著全球能源危機的出現，不可再生資源的損耗，減少能源浪費，探索可持續發展已經成為重要的研究課題。由于微納測量技術的進步，人們逐漸發現，自然界中某些生物表面具有的特別的微納米結構能夠使生物獲得一些特殊性能。如荷葉的疏水、自潔性源于其表面的微小凸起結構；鯊魚在水中的快速游動能力歸因于其皮膚表面的順流向肋條具有減少阻力的功能。研究表明，合理的表面微結構可以減小表面摩擦和剪切應力達到10％。因此，在物體表面加工出微結構形成功能性表面，可以減少物體的風阻、摩阻，提高其氣動性能，從而達到增速、增程、節能的目的。

微織構減阻雖然經過了幾十年的發展，一些學者總結了一些減阻理論，如突出高度理論，二次渦群理論，空氣軸承理論等，但是并沒有形成統一的理論解釋。雖然減阻微織構表面應用前景廣，但是沒有具有普遍性的減阻微織構設計方法作為理論支撐，限制了其發展。

目前平壁減阻微織構的設計多采用，數值仿真的方法，但是設計參數沒有理論依據，為了確定具有減阻效應的表面微織構，需要仿真的量很大，時間長，成本高，且設計結果并不一定理想。

發明內容

本發明的目的是提供一種仿真量小，節約成本，適用范圍廣的平壁的減阻微織構的設計方法。當有氣體流過平板表面時，能偶減少阻力，提升氣動性能，減少能量損耗。

為了達到上述目的，本發明采用的技術方案為：

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。將湍流壁面區域劃分為粘性底層、緩沖層和對數律層，這部分區域的外部通常被認為是外流區域。本發明的關鍵就在于在緩沖層布置微小結構，控制湍流；

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)：流速參數確定，根據設計要求，確定來流速度u；