沟槽非光滑表面流场的数值分析

　　仿生学研究发现,鲨鱼皮上的鳞脊可以使边界层稳定,减小快速游动阻力^[1]。仿生非光滑减阻技术仅依靠改变壁面形状就可达到很好的减阻效果,它的系统化实验研究最初由NASA研究中心执行^[2],被列为21世纪航空关键技术之一。沟槽形形态是研究最多的非光滑形态,对称的三角形沟槽被认为是最佳设计^[3]。以往对沟槽的研究主要采用风洞和水槽或油槽实验,周期长、成本高。而数值方法可以在较短时间内对多种设计模

　　型进行计算,通过流动显示再现流体运动状态,谱方法[4]和有限差分法[5]曾被用于沟槽表面流场的模拟。本文通过专业流体分析软件FLUENT,用有限体积法选择具有减阻和增阻效果的两种等边三角形沟槽流场进行数值模拟,并在实验验证的基础上对仿生非光滑沟槽表面减阻机理进行了探讨。

　　1　CFD前处理工作

　　1.1　模型建立及离散化

　　Jimenez和Moin曾证实:用微小槽流得出的湍流统计与实际油槽实验结果相同[6]。本文选用的两种等边三角形沟槽形状如图1(a)所示,尺寸分别为:α=60°,h=8. 66×10-2mm,s=0. 1mm和α=60°,h=0. 173 mm,s=0. 2 mm。为了建立流场分析的有限体积模型,需建立CAD几何模型,将光滑表面与沟槽表面处于同一流场中,即计算域相同,便于两者计算结果对比,减小计算误差。在ANSYS中建立的CAD几何模型如图1(b)所示,其中展向(X)长度为0. 8 mm,流向(Z)长度为4 mm,垂向(Y)高度为4 mm。为了便于观察流场运动情况,两种沟槽流向分别布置8个和4个沟槽,在ANSYS中用六面体网格对计算域进行离散(见图1(c)、(d)、(e)),沟槽表面划分的网格点数分别为20和40,整个计算域离散为256 000个单元。图1(e)为CFD模型。两种沟槽的CAD几何模型和CFD模型相似,本文只列出第一种沟槽的模型图。

　　1.2　边界条件

　　无量纲沟槽空间尺寸s+和无量纲沟槽高度尺寸h+分别为

　　在流场分析时,认为流场稳定,各参数不随时间变化;流体为不可压缩流体,密度和黏性等物理性质不随时间变化;不涉及传热问题;采用各向异性假设。

　　近壁区采用B2L两层湍流模型,外区采用雷诺应力湍流模型。边界条件为光滑表面与沟槽表面施加固壁无滑移条件,即上下壁面X,Y,Z三个方向速度为零;入口处给定质量流率m=0. 2 kg/s;流向和垂直于流向的方向施加周期边界条件。计算温度为20℃,流体介质为水,动力黏度μ=0. 001 N·s·m-2,水的密度ρ=998 kg/m3,υ=1×10-6m2/s,Re=6. 0×105,U∞=3. 7 m/s。由式(1)、(2)可得两种沟槽无量纲空间与高度尺寸s+、h+分别为s+≈20,h+≈17.3和s+≈40,h+≈34. 6。

　　2　沟槽表面流场分析

　　2.1　速度场分析