[發明專利]一種基于偏航角的溝槽型結構表面減阻效果預測方法

有效

• 申請號: 202011611990.4
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112651195B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 馬啟新;劉艷明
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06F30/17;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

1.一種基于偏航角的溝槽型結構表面減阻效果預測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：明確溝槽型結構表面的流動控制機理與溝槽型結構表面的時均流動特性；

對于給定了幾何特征的明確溝槽型表面，其減阻作用發生于邊界層內層，且對邊界層特性的影響表現在平均速度型對數區的偏移上；

令偏移量為Δu⁺，與減阻效果有關，滿足下式：

式中，κ為卡門常數；C是與光滑表面有關的常量；y⁺為無量綱壁面法向距離；u⁺為近壁面無量綱速度，角標r、sm分別表示與溝槽型結構表面、光滑表面有關的量；

步驟2：選定溝槽型結構表面的具體結構形式，結合平板表面的測試數據，建立偏航角影響下的減阻效果與影響因素間的函數關系；

步驟2.1：選定溝槽型結構表面的具體結構形式，針對某一確定的溝槽型結構表面的結構形式，分析制約減阻效果的影響因素，包括幾何參數和工況條件，具體包括寬高比h/s、無量綱高度h⁺、偏航角α；

步驟2.2：收集溝槽型結構表面處理技術的平板試驗測試數據，在具有溝槽型結構表面的平板上，得到在偏航角影響因素下的減阻率測試數據；

步驟2.3：建立減阻率與影響因素間的函數關系，根據測試數據點的分布規律，借助數值分析理論和變量的物理意義，確定減阻率與包含偏航角在內的各影響因素間相關關系，并進行減阻率函數擬合；

對于某一確定的偏航角α，數據點呈現拋物線型的分布規律，減阻率R_d與無量綱高度h⁺滿足如下函數關系：

R_d＝k₁(α)(h⁺)²+k₂(α)(h⁺)+k₃(α) (2)

其中，h⁺＝5～30；k₁、k₂、k₃為多項式函數系數；

通過分析參數的物理意義，對于某一確定的h⁺，減阻率與偏航角滿足如下關系：

R_d～mcos2α+n (3)

式中，m、n均為與h⁺有關的比例常量；

步驟3：利用“滑移速度理論”，建立減阻效果與CFD模化參量間的關系；

步驟3.1：確定能夠用于修改邊界層平均速度型的CFD方法；

基于“滑移速度理論”，在光滑表面施加滑移速度u_s，使平均速度型偏移Δu⁺表示速度型偏移量，與溝槽型結構表面的邊界層時均流動特性吻合，滑移速度u_s定義如下：

其中，λ為流向滑移長度；u表示近壁面氣流速度；n為壁面法向距離；w表示與壁面有關的量；

步驟3.2：建立減阻率與速度型偏移量Δu⁺的關系；

依據光滑表面、溝槽型結構表面的邊界層速度分布特點，以及由減阻率搭建起的壁面摩擦速度間相關關系，獲得溝槽型結構表面減阻率與邊界層速度型偏移量的定量關系；

步驟3.3：建立溝槽型結構表面的等效邊界條件；

將步驟3.2所述的關系式與步驟2.3所述的減阻率函數相結合，通過在光滑表面設置滑移邊界條件，即能夠模擬偏航角影響下的指定結構形式溝槽型結構表面流場，并預測減阻效果。

2.如權利要求1所述的一種基于偏航角的溝槽型結構表面減阻效果預測方法，其特征在于，其中，步驟2.2中平板試驗測試數據，經過可靠性驗證的數值計算獲得。

3.如權利要求1所述的一種基于偏航角的溝槽型結構表面減阻效果預測方法，其特征在于，針對h/s＝1的對稱式V型溝槽，獲得不同h⁺、α下的減阻率R_d平板試驗測試數據；

采用最小二乘法進行函數擬合，最終得到對稱式V型溝槽h/s＝1表面處理技術的減阻率函數為：

光滑表面、溝槽型結構表面的邊界層速度分布分別滿足如下式：

其中，y₀取到邊界層內層的外緣，即，y₀＝σ；u_τ為壁面摩擦速度；κ為卡門常數；角標r、sm分別表示與溝槽型結構表面、光滑表面有關的量；v表示運動粘度；

光滑表面、對稱式V型溝槽h/s＝1表面的壁面摩擦速度滿足下式：

其中，ε(α)為與偏航角有關的修正因子，α＝0時，ε(α)＝1；

進一步得到減阻率與Δu⁺的關系為：

其中，κ為卡門常數。