壁面沟槽减阻数值模拟研究

　　沟槽减阻技术，就是在物体和流体接触的表面上布置微小的纵向沟槽，以改变与粘性阻力紧密相关的湍流拟序结构，达到减少阻力的一种湍流减阻技术。该技术在管道输送、航天、机械设备及体育运动中已有运用的实例。国内的李育斌等［１］在１∶１２的运七模型具有湍流流动的区域顺流向粘贴肋条薄膜后，试验表明可减小飞机阻力５％－８％；南京航空航天大学的潘家正［２］提出 “微型空气轴承”理论，在湍流边界层底部按照一定间距横向分布的沟槽能锁住流动的小涡并获得了约１０．２％的减阻效果；ＫＳＢ公司［３］在多级泵的叶片表面加工成一 定 形 状 的 沟 槽 后 综 合 效 率 提 高 了１．５％；Ｗａｌｓｈ［４－６］的研究表明：无量纲高度与无量纲间距分别小于２５和３０的对称Ｖ型沟槽面有较优的减阻效果。大部分研究者得出沟槽面湍流边界层的粘性底层增厚，近壁区湍流强度、雷诺切应力降低的结论。一部分研究者认为因为粘性底层增厚使得局部表面摩擦阻力降低，实现减阻；另一部分则用湍流拟序结构理论来解释沟槽面的减阻原因。前者的着眼点放在粘性作用上，认为沟槽面直接降低了壁面的粘性切应力，后者试图从湍流结构的角度来解释减阻的原因。壁面结构减阻的研究尽管有了较大的发展，但由于这一领域的研究工作开展的时间相对不长，尤其涉及到湍流结构这一方面，还有很多工作等待人们去做。而对于减阻机理探索基本处于各持一说的阶段，因此，对于沟槽面湍流减阻机理的研究还需要继续深化下去。本文利用ＰＨＯＥ－ＮＩＣＳ　３．６软件数值分析来流速度对带有Ｖ型沟槽的湍流边界层特性的影响。

　　１　沟槽减阻湍流控制方程

　　湍流流场的主要特征是存在湍流脉动，这种脉动随机性强、尺度小、频率高，要想对湍流脉动进行完全直接的数值模拟会非常困难。对于湍流流场，非均匀性的时间尺度较之湍流各态分布的时间尺度大得多，因此构造出雷诺平均Ｎ －Ｓ方程来替代瞬时Ｎ－Ｓ方程，以大大降低计算代价。雷诺平均Ｎ－Ｓ方程中出现了代表湍流效应的雷诺应力项———ρｕｉｊ＇＇，增加了未知数个数，为了使方程封闭，引入ｋ－ε两方程模型的改进模式ＲＮＧ　ｋ－ε模型［７］，其特点是：解析成分多，考虑了湍流涡流，精度较高。

　　在流动与传热问题的求解中，所求的主要变量，如速度和温度的控制方程可以变成通用的形式，对上述微分方程进行统一化处理后，得 到ＰＨＯＥＮＩＣＳ条件下的通用形式的控制方程如下：