仿生射流表面減阻性能研究.pdf

1、隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,能源問題日益嚴(yán)峻,能源與阻力息息相關(guān),減阻即意味著節(jié)約能源,國(guó)內(nèi)外正在不斷加快各種減阻技術(shù)的研究。減阻技術(shù)的研究對(duì)于節(jié)約能源、提高能源的利用率具有重要作用,在海陸運(yùn)輸、航空、油氣管道輸送等諸多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過仿生表面減阻方法來降低物體在流體介質(zhì)中的表面摩擦阻力已經(jīng)成為減阻領(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題,開辟新的減阻途徑對(duì)于節(jié)約能源、提高能源利用率、完善減阻理論體系具有重要意義。
　　論文在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)

2、目:仿生射流表面減阻特性及減阻機(jī)理研究(51275102)的資助下,針對(duì)流體流經(jīng)固體后在接觸界面間存在著較大的摩擦阻力、消耗大量能量這一問題進(jìn)行研究。受鯊魚鰓部射流現(xiàn)象的啟發(fā),基于仿生學(xué)原理,為探索射流表面的減阻問題,以鯊魚鰓部射流特征為生物原型,建立類似于鯊魚鰓部射流特征的仿生射流結(jié)構(gòu)模型,通過理論分析、數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)的方法,研究仿生射流的減阻性能,揭示仿生射流表面相關(guān)因素對(duì)其減阻特性的影響規(guī)律,闡明仿生射流表面的減阻機(jī)理。
　

3、　提出仿生射流表面減阻方法,建立了具有鯊魚鰓部特征的仿生射流模型,在主流場(chǎng)速度一定、射流速度在特定范圍內(nèi)變化的條件下,研究了仿生射流表面的減阻特性,得到了射流速度對(duì)減阻效果的影響規(guī)律;分析了仿生射流表面對(duì)模型壁面黏性阻力和壓差阻力的影響特性,從壁面所受的剪應(yīng)力、壓應(yīng)力以及邊界層的變化情況,探究了仿生射流表面的減阻機(jī)理。
　　針對(duì)仿生射流表面零射流情況,建立具有半球形凹坑的仿生零射流表面模型,分析其減阻特性,并以氣動(dòng)滅火炮彈體橡膠密

4、封圈為載體,考慮到橡膠密封圈與炮管之間的密封及摩擦問題,建立具有仿生零射流表面特征的橡膠密封圈模型,通過數(shù)值模擬的方法,研究橡膠密封圈仿生零射流表面的密封特性及減阻特性。
　　針對(duì)仿生射流表面流場(chǎng)問題,建立了基于圓形射流孔形狀的仿生射流表面結(jié)構(gòu)模型及可拓模型,利用SSTk-ω湍流模型對(duì)仿生射流表面模型進(jìn)行數(shù)值模擬,在主流場(chǎng)入口速度一定時(shí),分析了射流孔徑與射流速度耦合情況下仿生射流表面對(duì)壁面摩擦阻力及減阻率的影響規(guī)律,揭示了射流孔徑

5、與射流速度耦合情況下仿生射流表面對(duì)邊界層的控制行為。對(duì)仿生射流表面射流角度與射流速度耦合情況進(jìn)行分析,建立了射流角度與射流速度耦元、耦合方式的可拓模型,利用SSTk-ω湍流模型對(duì)仿生射流表面射流角度與射流速度耦合情況下的減阻特性進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了射流角度與射流速度耦合情況下的仿生射流表面減小壓差阻力和黏性阻力的原因及仿生射流表面對(duì)邊界層的控制行為。對(duì)仿生射流表面主流場(chǎng)速度與射流速度耦合情況進(jìn)行分析,建立了主流場(chǎng)速度與射流速度耦元、耦合

6、方式的可拓模型,利用RNGk-ε湍流模型對(duì)仿生射流表面主流場(chǎng)速度與射流速度耦合情況下減阻特性進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了主流場(chǎng)速度與射流速度耦合情況下的仿生射流表面對(duì)黏性阻力和壓差阻力的影響規(guī)律,分析了耦合情況下仿生射流表面對(duì)減阻及節(jié)能特性的影響,闡明了主流場(chǎng)速度與射流速度耦合情況下仿生射流表面對(duì)射流孔附近壁面流域邊界層的控制行為。
　　基于同軸旋轉(zhuǎn)測(cè)試原理,建立了同軸旋轉(zhuǎn)測(cè)試與平面測(cè)試下模型壁面所受摩擦阻力間的關(guān)系的數(shù)學(xué)模型,設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)

7、體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。研制了仿生射流表面減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),基于LabVIEW環(huán)境下編寫圖形用戶界面,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流程的軟件控制,采集實(shí)驗(yàn)過程中不同實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖铝黧w對(duì)其表面的摩擦扭矩值,達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)化及數(shù)據(jù)監(jiān)控的實(shí)時(shí)化。
　　通過仿生射流表面減阻測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿生射流表面和光滑表面的回轉(zhuǎn)體模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,采用對(duì)比分析的方法,分析射流孔徑、旋轉(zhuǎn)速度、射流速度以及射流角度等因素對(duì)仿生射流表面模型所受摩擦扭