仿生射流表面減阻性能研究.pdf

1、隨著經濟的快速發(fā)展,能源問題日益嚴峻,能源與阻力息息相關,減阻即意味著節(jié)約能源,國內外正在不斷加快各種減阻技術的研究。減阻技術的研究對于節(jié)約能源、提高能源的利用率具有重要作用,在海陸運輸、航空、油氣管道輸送等諸多領域具有廣泛的應用前景。通過仿生表面減阻方法來降低物體在流體介質中的表面摩擦阻力已經成為減阻領域研究的一個熱點問題,開辟新的減阻途徑對于節(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。
　　論文在國家自然科學基金項

2、目:仿生射流表面減阻特性及減阻機理研究(51275102)的資助下,針對流體流經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行研究。受鯊魚鰓部射流現(xiàn)象的啟發(fā),基于仿生學原理,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構模型,通過理論分析、數(shù)值模擬及實驗的方法,研究仿生射流的減阻性能,揭示仿生射流表面相關因素對其減阻特性的影響規(guī)律,闡明仿生射流表面的減阻機理。
　

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,在主流場速度一定、射流速度在特定范圍內變化的條件下,研究了仿生射流表面的減阻特性,得到了射流速度對減阻效果的影響規(guī)律;分析了仿生射流表面對模型壁面黏性阻力和壓差阻力的影響特性,從壁面所受的剪應力、壓應力以及邊界層的變化情況,探究了仿生射流表面的減阻機理。
　　針對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。
　　針對仿生射流表面流場問題,建立了基于圓形射流孔形狀的仿生射流表面結構模型及可拓模型,利用SSTk-ω湍流模型對仿生射流表面模型進行數(shù)值模擬,在主流場入口速度一定時,分析了射流孔徑與射流速度耦合情況下仿生射流表面對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邊界層的控制行為。對仿生射流表面射流角度與射流速度耦合情況進行分析,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邊界層的控制行為。對仿生射流表面主流場速度與射流速度耦合情況進行分析,建立了主流場速度與射流速度耦元、耦合

6、方式的可拓模型,利用RNGk-ε湍流模型對仿生射流表面主流場速度與射流速度耦合情況下減阻特性進行數(shù)值模擬,研究了主流場速度與射流速度耦合情況下的仿生射流表面對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減阻及節(jié)能特性的影響,闡明了主流場速度與射流速度耦合情況下仿生射流表面對射流孔附近壁面流域邊界層的控制行為。
　　基于同軸旋轉測試原理,建立了同軸旋轉測試與平面測試下模型壁面所受摩擦阻力間的關系的數(shù)學模型,設計了回轉

7、體實驗模型。研制了仿生射流表面減阻測試實驗平臺,并對實驗平臺的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行設計,基于LabVIEW環(huán)境下編寫圖形用戶界面,實現(xiàn)對數(shù)據(jù)流程的軟件控制,采集實驗過程中不同實驗模型下流體對其表面的摩擦扭矩值,達到對數(shù)據(jù)采集的自動化及數(shù)據(jù)監(jiān)控的實時化。
　　通過仿生射流表面減阻測試實驗平臺對仿生射流表面和光滑表面的回轉體模型進行實驗研究,采用對比分析的方法,分析射流孔徑、旋轉速度、射流速度以及射流角度等因素對仿生射流表面模型所受摩擦扭