[發(fā)明專利]一種基于偏航角的溝槽型結(jié)構(gòu)表面減阻效果預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011611990.4
• 申請日: 2020-12-30
• 公開（公告）號: CN112651195B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馬啟新;劉艷明
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理事務(wù)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(jié)構(gòu)表面減阻效果預(yù)測方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：明確溝槽型結(jié)構(gòu)表面的流動(dòng)控制機(jī)理與溝槽型結(jié)構(gòu)表面的時(shí)均流動(dòng)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(fā)生于邊界層內(nèi)層，且對邊界層特性的影響表現(xiàn)在平均速度型對數(shù)區(qū)的偏移上；

令偏移量為Δu⁺，與減阻效果有關(guān)，滿足下式：

式中，κ為卡門常數(shù)；C是與光滑表面有關(guān)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(biāo)r、sm分別表示與溝槽型結(jié)構(gòu)表面、光滑表面有關(guān)的量；

步驟2：選定溝槽型結(jié)構(gòu)表面的具體結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合平板表面的測試數(shù)據(jù)，建立偏航角影響下的減阻效果與影響因素間的函數(shù)關(guān)系；

步驟2.1：選定溝槽型結(jié)構(gòu)表面的具體結(jié)構(gòu)形式，針對某一確定的溝槽型結(jié)構(gòu)表面的結(jié)構(gòu)形式，分析制約減阻效果的影響因素，包括幾何參數(shù)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(jié)構(gòu)表面處理技術(shù)的平板試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，在具有溝槽型結(jié)構(gòu)表面的平板上，得到在偏航角影響因素下的減阻率測試數(shù)據(jù)；

步驟2.3：建立減阻率與影響因素間的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)測試數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布規(guī)律，借助數(shù)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(nèi)的各影響因素間相關(guān)關(guān)系，并進(jìn)行減阻率函數(shù)擬合；

對于某一確定的偏航角α，數(shù)據(jù)點(diǎn)呈現(xiàn)拋物線型的分布規(guī)律，減阻率R_d與無量綱高度h⁺滿足如下函數(shù)關(guān)系：

R_d＝k₁(α)(h⁺)²+k₂(α)(h⁺)+k₃(α) (2)

其中，h⁺＝5～30；k₁、k₂、k₃為多項(xiàng)式函數(shù)系數(shù)；

通過分析參數(shù)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(guān)系：

R_d～mcos2α+n (3)

式中，m、n均為與h⁺有關(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)表面的邊界層時(shí)均流動(dòng)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(guān)的量；

步驟3.2：建立減阻率與速度型偏移量Δu⁺的關(guān)系；

依據(jù)光滑表面、溝槽型結(jié)構(gòu)表面的邊界層速度分布特點(diǎn)，以及由減阻率搭建起的壁面摩擦速度間相關(guān)關(guān)系，獲得溝槽型結(jié)構(gòu)表面減阻率與邊界層速度型偏移量的定量關(guān)系；

步驟3.3：建立溝槽型結(jié)構(gòu)表面的等效邊界條件；

將步驟3.2所述的關(guān)系式與步驟2.3所述的減阻率函數(shù)相結(jié)合，通過在光滑表面設(shè)置滑移邊界條件，即能夠模擬偏航角影響下的指定結(jié)構(gòu)形式溝槽型結(jié)構(gòu)表面流場，并預(yù)測減阻效果。

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于偏航角的溝槽型結(jié)構(gòu)表面減阻效果預(yù)測方法，其特征在于，其中，步驟2.2中平板試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過可靠性驗(yàn)證的數(shù)值計(jì)算獲得。

3.如權(quán)利要求1所述的一種基于偏航角的溝槽型結(jié)構(gòu)表面減阻效果預(yù)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(yàn)測試數(shù)據(jù)；

采用最小二乘法進(jìn)行函數(shù)擬合，最終得到對稱式V型溝槽h/s＝1表面處理技術(shù)的減阻率函數(shù)為：

光滑表面、溝槽型結(jié)構(gòu)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(nèi)層的外緣，即，y₀＝σ；u_τ為壁面摩擦速度；κ為卡門常數(shù)；角標(biāo)r、sm分別表示與溝槽型結(jié)構(gòu)表面、光滑表面有關(guān)的量；v表示運(yùn)動(dòng)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(guān)的修正因子，α＝0時(shí)，ε(α)＝1；

進(jìn)一步得到減阻率與Δu⁺的關(guān)系為：

其中，κ為卡門常數(shù)。