作者简介:李芳(1985-),女,博士研究生.研究方向:仿生射流减阻技术.E-mail:lifang71118@163.com
利用RNG
Numerical simulation is carried out to study the drag reduction characteristics of porous bionic jet surface according to RNG
仿生学家发现鲨鱼表皮沿流向排列的V型微沟槽结构是有利于其射流减阻的体表形态[ 1],受此启发,国内外学者对微沟槽结构[ 2, 3, 4]、凹坑和凸包等结构[ 5, 6]进行了大量研究,但针对射流表面减阻技术的研究相对较少,且主要集中在超声速飞行器表面减阻领域[ 7]。尽管射流表面减阻技术在超声速航行体表面取得了较好的效果,但水下环境更为复杂,在航空领域得到的射流减阻特性是否适用于水下环境有待进一步研究。另外,前期对仿生射流减阻技术的研究都是基于单孔射流[ 8],而多孔射流表面的流场结构与单孔相比具有较大的不同,多孔射流表面是否能够减阻以及减阻特性如何也有待进一步研究。因此,本文建立了类似鲨鱼鳃部结构的多孔射流表面模型,并对流体在其表面的流动特性进行了数值模拟,研究流速比和射流孔个数对减阻效果的影响规律,分析矩形多孔射流表面的减阻机理。
本文的仿生对象为白斑星鲨,俗称白点鲨、星鲨、鲨皮,软骨鱼纲、真鲨目、皱唇鲨科、星鲨属。体长701.5 mm,头长170.5 mm,头部两侧共有5对鳃裂,鳃裂长度12.5~20 mm,鳃裂宽度1.5~5 mm,鳃间隔5.5~10 mm。鲨鱼在游动的过程中,富氧水进入口咽腔,经鳃部进行气体交换后,贫氧水从鳃裂部位流出形成射流,如 图1所示。
分布于鲨鱼头部两侧的鳃裂相对于第一背鳍具有对称性,现以一侧鳃裂为例,将鳃裂周围鲨鱼的体表结构简化为平板,鳃裂简化为分布在平板上游的射流孔,将鳃裂部位喷水的过程简化为连续的射流过程,通过射流孔向主流场中进行连续射流以改变射流表面附近的流场结构。为评价仿鲨鱼鳃部射流表面模型的减阻效果,将上表面作为对照表面,通过对比相同流场条件下光滑表面和开有射流孔的射流表面的摩擦阻力来评价其减阻效果。根据白斑星鲨头部一侧的鳃裂数,建立了五孔射流表面模型,研究发现相邻两个射流孔的流体存在相互作用,为研究这种相互作用对减阻效果的影响,以最简单的双孔射流为例进行研究,再将多孔射流与单孔射流进行对比,以研究多孔射流和单孔射流之间的关系,建立仿生射流表面模型如 图2所示。
图2为双孔射流表面模型计算域示意图,单孔模型为只有第一个射流孔的情况,五孔模型则依次排列5个射流孔。射流孔宽度 B=2 mm,本文中尺寸均与射流孔宽度 B对比进行量纲归一化处理。 x、 y、 z分别为流向、法向和展向方向,计算域长、宽、高比值为7 ∶2 ∶1;第一个射流孔的中心位置位于坐标原点,其入口距离 p=-5 B、距两侧壁等距离,射流孔长度 L=7 .5 B,射流角度为90 °,与主流速度方向垂直;相邻两个射流孔中心间距 W=4 B,射流孔中心分别位于 x/B=0、4、8、12、16处;各个模型的射流孔参数相同;主流方向速度为 V,射流速度为 v。
利用ICEM CFD14.0对计算域进行结构化网格划分,对于单孔射流表面模型在主流速度为10 m/s时进行计算域网格划分,将网格节点数从24.5万加密到42.7万时计算误差在0.5%以内,达到了计算精度的要求。全局网格尺寸参数设置为0.8 mm,在射流表面和光滑表面进行网格加密处理,壁面第一层网格的高度为0.002 mm,网格增长率为1.1,在主流速度为10 m/s时满足 y+=1。 y+为第一层网格到壁面的无量纲距离。本文所建立模型的网格节点总数在(24.5~32.5)万之间,网格划分情况如 图3所示。
标准 k-ε模型是一种高雷诺数的模型,而RNG k-ε模型提供了一个考虑低雷诺数流动黏性的解析公式,使得RNG k-ε模型比标准 k-ε模型具有更高的可信度和精度。由于需要研究近壁面流体的流动情况,所以本文选用RNG k-ε模型和增强型壁面函数。
式中: ρ为流体密度; k为湍流运动能量; ε为湍流耗散系数;漩涡 μt=ρCμk2 /ε;湍动能产生项 pk=μtS2, S=
求解方法选择基于压力求解器中的SIMPLEC算法,离散格式选择二阶迎风格式。计算域主流场分别采用速度入口和压力出口边界条件,射流孔入口采用速度入口边界条件,光滑表面和射流表面均为无滑移绝热壁面;选用水作为流体介质,主流孔入口速度分别为10、15和20 m/s,射流孔入口速度分别为0.6、1、1.5、2、2.5、3、4、4.5、6 m/s;能量方程的残差设为1×10-6,其余方程残差均设为1×10-4。
流体流过固体表面时,所受到的阻力包括摩擦阻力和压差阻力两部分,其中压差阻力属于形状阻力,光滑表面和射流表面均与流场方向平行,因此本文忽略压差阻力,只考虑摩擦阻力。模型表面的摩擦阻力包括 x、 y、 z三个方向的力,但是相对于 x方向而言,其余两个方向的分力可以忽略不计,文中所指的摩擦阻力为 x方向分力。
减阻率为:
式中: R为减阻率; Cfs为光滑表面摩擦阻力系数; Cfj为射流表面摩擦阻力系数。
流速比 Rv为:
射流流量为:
式中: A为单个射流孔面积。
2.2.1 流速比对减阻效果的影响
流速比对减阻效果的影响规律如 图4所示。 图4(a)为单孔射流表面模型主流速度变化时的减阻率曲线。分析 图4(a)可知,同时改变主流速度和射流速度使之保持流速比不变,减阻率几乎保持不变,说明流速比是影响射流流场的主要因素[ 9];减阻率与流速比呈线性关系,随着流速比的增大,减阻率逐渐增大。分析 图4(b)可知,射流孔个数越多减阻效果越好,最大减阻率为59.02%。单孔、双孔和五孔射流的减阻率与流速比呈近似线性关系,即当主流速度不变时,射流速度越大减阻效果越好[ 10]。
2.2.2 射流孔个数对减阻效果的影响
图5为单孔、双孔和五孔射流表面模型光滑表面和射流表面中心线上的摩擦阻力系数(光滑表面中心线: z=0、 y=5 B;射流表面中心线 z=0、 y=0)。 图5(a)为流速比固定不变时具有不同射流孔个数的射流表面和光滑表面的摩擦阻力系数曲线。分析 图5(a)可知,当 x/B>-2时,射流表面的摩擦阻力系数小于光滑表面的摩擦阻力系数,实现了减阻。射流表面的摩擦阻力系数 Cf与 x/B呈波浪形,波谷位于射流孔下游,波谷的个数与射流孔的个数相等,即在射流孔附近出现局部的最小值点,距离射流孔越远,摩擦阻力系数越大,但始终低于光滑表面的摩擦阻力系数。在第一个射流孔的背流面摩擦阻力系数最小,局部减阻率达111.8%。
根据普朗特公式得到光滑表面平板的摩擦阻力系数为5.014×10-3,见式(6)。由 图5可知,本文光滑表面的平均摩擦阻力系数为5.002×10-3,相对误差为0.24%,证明了本文数值模拟结果的准确性。
式中:
分析 图5(a)可知,当流速比固定不变时,射流孔个数越多,射流表面的平均摩擦阻力系数越小,减阻效果越好。其原因是:沿流向排布的射流孔个数越多,射流流量越大,射流流体沿流向作用的区域越大,减阻效果越好。单孔射流和双孔射流在第一个射流孔的迎流面和背流面均出现逆流区,五孔射流只在第一个射流孔附近出现逆流区。其原因是:第一个射流孔对主流产生遮挡作用,使两个射流孔之间的流体速度低于主流速度,使其与射流流体的相互作用减弱。
图5(b)为射流流量固定不变时光滑表面和多孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数沿 x方向的变化曲线。当单孔射流 Rv=0 .3、双孔射流 Rv=0 .15、五孔射流 Rv=0 .06时,单孔、双孔、五孔射流表面模型的射流流量均为9×10-5 m3/h。分析 图5(b)可知,单孔、双孔、五孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数均低于光滑表面;五孔射流表面的平均摩擦阻力系数最小,双孔其次,单孔最大。射流流量固定不变时,射流孔个数越多减阻效果越好。其原因是:多孔射流相对于单孔射流而言射流速度减小,消耗的湍动能减小,湍流雷诺应力减小,继而减小了射流表面的摩擦阻力。
综上所述,射流孔个数越多,射流表面的减阻效果越好。多孔射流的减阻效果优于单孔射流,但是小于多个单孔射流的减阻率之和。原因是:在本文所建立的模型中第一个射流孔的射流流体对其下游的全部区域产生影响,而其他射流孔的射流影响射流表面的区域减小了;相邻两个射流孔的射流流体存在相互作用,消耗了更多的湍动能;第一个射流孔的射流流体对主流的阻碍作用最为明显,其余射流孔的射流流体对主流的遮挡作用减弱,射流孔下游局部摩擦阻力系数降低的幅度减小。
当 Rv=0 .1时,光滑表面和射流表面模型中底面附近 x/B=-5 ~30, y/B=0 .015, z/B=0( δ+≈0 .08, δ+为监测点至壁面的距离与边界层厚度 δ的比值)直线上主流方向速度大小如 图6所示。分析 图6可知,射流表面边界层内流向速度由于射流的遮挡作用呈现出锯齿形,射流表面附近的平均流向速度小于光滑表面,说明由于射流的存在使得射流表面边界层内的流速降低,其作用相当于增加边界层的厚度。
由于射流流体的作用也会对主流方向速度产生影响,在垂直于射流表面法线方向上的不同位置取主流方向速度,并与相应位置的光滑表面速度进行对比。所取直线在射流表面的投影坐标分别为( x/B=2, z/B=0)、( x/B=6, z/B=0)、( x/B=18, z/B=0)、( x/B=25, z/B=0)。光滑表面、单孔、双孔、五孔射流表面法线方向上主流速度变化率如 图7所示。分析 图7可知,在靠近壁面处,射流孔附近的法向速度梯度先增大后减小,距离壁面越远,法向速度梯度越小,当 y+>50时光滑表面和射流表面的速度梯度均减小到最小值并保持不变;单孔、双孔、五孔射流表面附近的速度变化率均明显低于光滑表面,可以得出射流表面的壁面剪应力小于光滑表面。射流流体的存在改变了射流表面附近流体的流动情况,使得射流表面附近的法向速度梯度减小,达到了减阻效果。
当单孔射流表面模型 Rv=0 .3时,垂直于主流方向( x/B=2)的法向速度云图如 图8所示。分析 图8可知,与光滑表面相比,射流表面由于射流流体的作用改变了法向速度,在流动方向上形成了稳定的大涡结构,并在壁面处诱导出了一些小的二次涡。二次涡抑制了流体的展向运动,从而抑制了流体间的动量交换。同时壁面附近稳定的流向涡和二次涡隔绝了主流高速流体对壁面的扫掠,达到减小壁面剪应力的效果。
综上所述:射流是通过改变射流表面附近的流场的流动结构来达到减阻目的的。射流流体的存在使得壁面附近流体形成沿流向方向的锯齿形运动,增加了边界层黏性底层的厚度,使得边界层内速度梯度减小,从而减小了壁面剪应力。同时在流动方向上形成稳定的大涡结构,并在射流表面附近诱导出一些小的二次涡,阻隔了主流高速流体对壁面的扫掠,从而减小了射流表面的摩擦阻力。
(1)在分析鲨鱼呼吸过程的基础上,提出了仿生射流表面减阻法。利用数值模拟方法研究了单孔、双孔、五孔射流表面模型的减阻特性,结果表明:仿生射流表面的减阻率与流速比呈线性关系,减阻率随着流速比增大而增大,射流孔个数越多减阻效果越好,在不考虑射流能量的情况下,最大减阻率为59.02%。
(2)同时改变主流速度和射流速度使得流速比保持不变时,不同的主流速度具有相同的减阻率,表明流速比是影响减阻率的主要因素。
(3)射流中心对称面上的摩擦阻力系数随 x/B呈波浪形变化,在第一个射流孔下游摩擦阻力系数 Cf降低最为明显,局部减阻率达111.8%。
(4)射流改变了射流表面附近的流场结构,使得射流表面附近的边界层厚度增大,射流表面的法向速度梯度减小,继而实现了减阻效果。
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