随行波论文.docx

随行波结构的减阻作用摘要：本文利用CFD软件，对随行波表面进行仿真计算，建立二维平面模型，通过比较，验证随行波结构在波谷处产生的旋涡有效的减少了随行波表面的阻力损失。通过数值模拟验证引入随行波结构后，能够有效的降低阻力损失，提高性能。基于阻力特性和流场的数值模拟结果，随行波结构的引入能够有效的降低阻力损失。关于随行波结构减阻能力的数值模拟为今后有效的降低阻力损失提供一定的参考。关键词：数值模拟；随行波结构；阻力损失0引言湍流流动减阻一直是国内外十分关注的热点问题[1]。长期以来，湍流机理的研究是同控制和利用湍流的研究密切相关的。通过前人的研究，近壁区的湍流猝发过程，应该对整个湍流边界层中湍流的产生和湍流的动量、能量输运过程影响很大。正是这种周而复始的猝发过程不断产生着边界层中的湍流并且消耗着外层流动的能量。湍流减阻的基本思想就是要减少边界层的湍流，限制边界层内流体流动的三维性[2]。在20世纪80年代，发现了在鲨鱼表面上有沿纵向的沟槽结构，这种结构有助于鲨鱼在水中快速游动。现有的数据表明，随行波用于水下航行器的减阻量国外已经达到16%[3]，国内约为10%[4]。随行波减阻方法具有重要的作用，国内外对随行波减阻技术的研究都非常重视，不断有新的研究方法和成果出现。在本文中，通过数值模拟的方法，研究随行波结构的减阻作用。1. 数值方法利用Boussinesq涡旋粘性假设[1]，忽略质量力的可压缩粘性气体的Navier-Stokes方程组描述[2]：连续方程　　　　　　　　　(1)动量方程　　　　　(2)能量方程(3)状态方程就　　　　　　　　　　　(4)式中：(5)- 粘性应力张量；-密度，kg/m3；-速度分量，m/s；-压力,Pa；-比内能，；-热传导系数，；-温度，K；-动力粘性系数，；-涡旋粘性系数。以湍流模型模拟涡旋粘性系数，则有关于湍动能及其耗散率的一般表达式：　　　　(6)　　(7)忽略重力影响时，决定于浮力的湍流生成项为零，公式(6)和(7)成为　　　　　　(8)　　　　(9)式中决定于平均速度梯度的湍动能生成项为这里为平均应变率张量的模，平均应变率张量由下式给出：由Sarkar建议的模拟可压缩湍流脉动膨胀对总体耗散率的贡献的表达式为其中的湍流马赫数定义为涡旋粘性系数的表达式为　 　　　　　　　　　(10)由B.E.Launder和D.B.Spalding给出的关于常数、、以及和的湍流普朗特数和的值分别为，，，，2.计算模型及网格划分在随行波的研究中，为了满足前面所提到的关于二次流动的漩涡要稳定在波谷中而不出现层面上的漩涡飘散现象的要求，所以设计的结构尺寸都非常小。为了验证随行波结构的减阻作用，在本文中，取一段流道加入随行波结构进行数值模拟，并与原始流道的数值模拟进行比较，以此来研究随行波结构的减阻作用。根据现有的研究成果和相关文献，在本章的数值模拟中，将半圆结构的直径设定为0.15mm。在计算域网格网格划分过程中，由于半圆结构尺寸较小，与流场总长度相比，几乎可以忽略，所以在网格划分过程中，只有网格结构尺寸非常的小时候，才能充分实现特殊的半圆结构的作用。但是同时又受到计算机性能的影响，网格数量不能无限的大，因为在网格划分过程中，将计算域分块后划分网格。在靠近半圆结构位置处，网格再次局部加密，如图1所示。图1计算域分块划分网格图2半圆结构处的网格3.边界条件具体设定如下：进口：速度进口，速度选定范围1~10m/s。出口：选用压力出口。湍流模型：为了更好的体现随行波的作用，在湍流模型的选择过程中定义了强壁面函数形式。4. 计算结果分析通过对上述两种模型的数值模拟，得到不同进口速度下，有无随行波结构的流道的阻力特性，如表5.1所示。通过比较可以看出，在流道中引入随行波结构可以大大减低流道中的阻力损失。通过上述各工况的数值模拟的比较，可以看出在流道中引入随行波结构可以大大的降低阻力损失。在表1和图3中可以看出，合理的半圆形随行波结构的引入，可以使得生成的漩涡恰好充满半圆结构流道中，这中生成的漩涡对邻近的主流产生影响，降低壁面附近处速度变化梯度，从而减小各层之间的剪切力，从而大大的降低了阻力损失，据研究表明，合理的结构能够降低阻力损失在30%左右。表1 速度—总压损失对照表进口速度(m/s)有随行波结构流道的阻力损失无随行波结构流道的阻力损失阻力损失减少量(%)1 0.29360.26998.0620.69780.543622.1031.21300.900525.7641.78331.344624.6052.47671.802227.2463.23852.298929.0174.10082.829431.0085.02453.388832.5596.04093.976734.17107.10754.597435.32将