[發(fā)明專利]一種動(dòng)靜腔流動(dòng)微溝槽-超疏水耦合減阻設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010610401.4
• 申請(qǐng)日: 2020-06-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111737836B
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 顧延?xùn)|;成立
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州大學(xué)
• 主分類號(hào): G06F30/17
• 分類號(hào): G06F30/17;G06F30/28;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 揚(yáng)州蘇中專利事務(wù)所(普通合伙) 32222
• 代理人: 許必元

本發(fā)明涉及一種動(dòng)靜腔流動(dòng)微溝槽?超疏水耦合減阻設(shè)計(jì)方法，利用動(dòng)盤(pán)近壁區(qū)流動(dòng)數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建微溝槽型線控制方程。首先，代入動(dòng)靜腔工作參數(shù)，計(jì)算微溝槽型線控制方程，得到微溝槽的型線數(shù)據(jù)。然后，選取微溝槽橫截面形狀，設(shè)計(jì)微溝槽橫截面高度和弧長(zhǎng)，選取微溝槽數(shù)量，在動(dòng)盤(pán)上加工出微溝槽。最后，在帶微溝槽的動(dòng)盤(pán)上噴涂超疏水材料，保證涂層不淹沒(méi)微溝槽。本發(fā)明通過(guò)在動(dòng)盤(pán)上實(shí)施微溝槽?超疏水耦合減阻方法達(dá)到節(jié)能目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種動(dòng)靜腔流動(dòng)微溝槽-超疏水耦合減阻設(shè)計(jì)方法，屬于旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)靜腔流動(dòng)減阻領(lǐng)域。

背景技術(shù)

動(dòng)靜腔是指旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)與靜止圓盤(pán)之間的流動(dòng)區(qū)域，如圖1所示，既是一個(gè)經(jīng)典的流體力學(xué)研究對(duì)象，又是一個(gè)廣泛存在于石油化工、水利水電、海洋工程、航天動(dòng)力、核電裝備等領(lǐng)域旋轉(zhuǎn)機(jī)械中的工程問(wèn)題。在大多旋轉(zhuǎn)機(jī)械中，動(dòng)靜腔是不可避免的形成的，動(dòng)盤(pán)與腔內(nèi)流體的摩擦功率屬于能量損失，減小動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)阻力(即減小壁面周向切應(yīng)力)是實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)機(jī)械節(jié)能降耗的一個(gè)重要途徑。

仿荷葉超疏水壁面是指液體表觀接觸角大于150°且滾動(dòng)角較小的壁面。該壁面上的微納結(jié)構(gòu)及低表面能阻止液體侵入，從而在壁面貯存了一層極薄的氣膜，氣液界面速度滑移具有減阻功能且減阻效果優(yōu)異。超疏水壁面可通過(guò)噴涂含聚四氟乙烯、氧化鋁納米線等添加劑的超疏水材料制得。但是，在較大雷諾數(shù)或壓力下，很難維持長(zhǎng)期穩(wěn)定氣膜減阻。

仿鯊魚(yú)皮微溝槽在平板流動(dòng)中的減阻機(jī)理可以總結(jié)為：(1)粘性底層和緩沖層的厚度增大，對(duì)數(shù)律區(qū)抬升，近壁區(qū)平均速度梯度減??；(2)流向溝槽限制了流向渦的展向運(yùn)動(dòng)等，湍流猝發(fā)強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力等統(tǒng)計(jì)量減弱。由于平板上主流是直線型，因而微溝槽型線設(shè)計(jì)成直線流向型，不需要設(shè)計(jì)成曲線型。在動(dòng)靜腔中實(shí)施微溝槽減阻策略時(shí)，顯然不能把微溝槽型線設(shè)計(jì)成平板流動(dòng)中的直線型。這是因?yàn)閯?dòng)盤(pán)壁面對(duì)流體的剪切作用、腔體對(duì)流體的約束等，動(dòng)盤(pán)近壁區(qū)流動(dòng)方向?yàn)橹芟蚝蛷较颍淞骶€是曲線型的。因此，為達(dá)到良好的減阻效果，動(dòng)盤(pán)壁面上的溝槽應(yīng)該設(shè)計(jì)成曲線型的。但是，該曲線設(shè)計(jì)方法較缺乏。

通過(guò)在動(dòng)靜腔動(dòng)盤(pán)壁面上耦合超疏水減阻技術(shù)和微溝槽減阻技術(shù)，克服各自不足之處，達(dá)到兩者相互影響、協(xié)同作用下的長(zhǎng)效增強(qiáng)減阻目的?；驹硎牵杭庸で€型微溝槽，噴涂超疏水材料，使得微溝槽減小邊界層湍流強(qiáng)度、雷諾應(yīng)力等并在槽谷產(chǎn)生低速流動(dòng)，削弱對(duì)超疏水壁面貯存氣體的剪切作用，實(shí)現(xiàn)超疏水壁面長(zhǎng)效減阻；壁面貯存氣體的滑移、剛度和阻尼作用又反過(guò)來(lái)減小湍流邊界層動(dòng)能損失，實(shí)現(xiàn)微溝槽壁面增強(qiáng)減阻。

經(jīng)檢索，CN201810412446.3《一種多功能復(fù)合減阻實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置》給出了一種動(dòng)靜腔減阻測(cè)試方法，但不涉及微溝槽-超疏水耦合減阻方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述存在的問(wèn)題，提供一種動(dòng)靜腔流動(dòng)微溝槽-超疏水耦合減阻設(shè)計(jì)方法。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種動(dòng)靜腔流動(dòng)微溝槽-超疏水耦合減阻設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、利用動(dòng)盤(pán)近壁區(qū)周向和徑向速度方程，即二維流線方程，設(shè)計(jì)出微溝槽型線；

動(dòng)盤(pán)近壁區(qū)流體徑向速度：

C_r＝1.18·(10^-5·Re_r+2)^-0.49(2)

v_r是流體徑向速度，徑向坐標(biāo)是流體徑向速度的自變量；C_r是動(dòng)盤(pán)徑向速度系數(shù)；r是徑向坐標(biāo)；υ是流體運(yùn)動(dòng)粘度；ω是動(dòng)盤(pán)角速度；K是攜卷系數(shù)，流體周向速度與動(dòng)盤(pán)周向速度之比；z是軸向坐標(biāo)；δ_r動(dòng)盤(pán)邊界層厚度；Re_r是雷諾數(shù)；