旋成体仿生凹坑表面减阻试验研究
旋成体仿生凹坑表面减阻试验研究
１（２ ； ． 天 空 气 动 力 技 术 研 究 院 ． 京 ３Ｒ ２ ３ 航 ） 北
１０７ ） ００４
要 ： 于 非 光 滑 表 面 减 阻 的 仿 生 学 理 论 ， 过 凹坑 表 面 控 制 超 声 速 旋 成 体 附 壁 区 的 边 界 层 结 构 来 减 小 旋 成 体 基 通
的 阻 力 。 利 用 ３因 素 ５ 平 的二 次旋 转 设 计 ， 排 列 在 旋 成 体 后 部 的仿 生 凹 坑 表 面 参 数 进 行 优 化 。 Ｍ 水 对 ａ数 为 ２ ５ ， ．ｌ
凹坑 轴 向 间距 三个 因 素 的 二 次 回归 方 程 ， 用 此 方 程 得 到 的 最 优 凹 坑 表 面 减 少 总 阻 力 ４ ４ 利 ． ％。
关 键 词 ： 程 仿 生 学 ； 阻 ； 界层 控制 ； 洞 试 验 ； 次旋 转 设 计 工 减 边 风 二 中 图分 类 号 ：２ １７ Ｖ １ ． 文献标识码 ： Ａ
为测压 管 。总轴 向力 通 过 天 平 直 接 测 得 ； 部 阻 底 力 由式
施 ： （ —Ｐ） ６ Ｐ Ｓ （） １
诺数 在 ４×１ ３×Ｉ 的范 围 内 ， ０到 ｔ ： 凹坑 表 面可 以减 小 圆柱 体 的 阻力 ； ［ ］ 发现 在 马 赫数 为 １ ２ 基 于 任 １等 ３ ．， 旋 成体 最 大直 径 的雷 诺 数 为 １ ４×１６时 ， ． ０ 凹坑 表 面 可 以减 小 旋 成体 ３ ％的阻 力 。 基 于仿 生非 光滑 表 面减阻 的基 本思 想 ， 文在旋 本
的对 外 界 系统 的适应 ， 而形 成 了适 合 其 生存 的非 光 进
滑 表面 … 比如 ， 山甲、 １。 穿 蝼蛄 、 以及蜣 螂 等 土壤 动物
体 表规 律 的微 波形 态 可 以使 其 在粘 湿 土壤 中 自由 出
凹坑形表面减阻性能数值模拟
凹坑形表面减阻性能数值模拟作者：严钰婷唐亚鸣刘伟奇田杨来源：《海峡科技与产业》2016年第08期摘要：土壤对疏浚机具的粘附会增加切削阻力、降低切削效率。
土壤动物的非光滑表面为疏浚机具的仿生设计提供了参考。
传统的减阻研究主要通过实验分析，但是实验花费的时间长，实验条件控制难，而且实验不易探究减阻的机理。
借助流体分析软件Fluent，用数值模拟的方法分析流体流过凹坑形非光滑表面的流场，剖析凹坑非光滑表明的减阻机理，同时计算凹坑单元在不同流体流速下的降阻效果，从而为设计更加有效的仿生铰刀提供理论指导。
关键词：凹坑形刀齿；CFD数值模拟；减阻0 引言疏浚机具切削土壤[1]过程中受力复杂，除了受到剪断土壤中的毛细管产生界面负压粘附力[2]、还有吸泥负压力以及土壤内聚力[3]等。
开发具有减小切削阻力的刀齿，能提高疏浚的效率和降低能耗。
国内外的研究表明一些土壤动物[4]的非光滑表面具有减小阻力的作用。
针对仿生刀具刀齿表面非光滑结构[5]单元进行数值模拟，探索其减粘减阻的机理。
这对仿生疏浚机具的非光滑结构单元的设计、研发具有指导意义。
1 数值模拟方法1.1 CFD简介当前研究流体力学问题主要有三类方法：实验测量、理论分析和CFD模拟。
CFD有着实验测量和理论分析所达不到的优点，如CFD模拟成本低，耗时短，容易获得流场中的许多数据等等。
Fluent正是一款用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内复杂流动的CFD流体分析软件，本实验会用到。
1.2 交错网格与SIMPLE算法所谓交错网格就是将速度u、v及压力p（以及其他标量和物性参数）分别存储于三套不同网格上，此时相邻两节点的压力构成了动量方程中的压力梯度，从而很好地解决了采用非交错网格时所遇到的问题，提高了计算精度，因而在二维直角坐标系下交错网格布局得到广泛的应用。
求解器的设定中，速度场和压力场的耦合采用SIMPLE算法，这种算法的计算步骤如下：（1）给出试探的压力场p*；（2）求解动量方程，得到u*、v*、w* ；（3）求解压力修正方程，得p'；（4）通过求得的p'和p*计算得到p；（5）速度校正公式，得到校正后的速度u、v、w；（6）利用校正后的速度场求解与速度耦合的变量；（7）判断是否收敛，收敛，则结束求解；不收敛，回到第二步继续求解。
旋成体环形射流表面优化设计与减阻机理分析
ａ ｂ ｏ ｕ ｔ ｎ ｕ ｍｅ ｉ ｒ ｃ ａ ｌ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｂ ｙ ｍ ａ ｋ ｉ ｎ ｇ ａ ｃ ｏ ｍ ｐ ａ ｉ ｒ ｓ ｏ ｎ ｂ ｅ ｔ ｗ ｅ ｅ ｎ ｂ ｏ ｄ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｒ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｎ ｕ ｌ ａ ｒ ｊ ｅ ｔ ｌ ｆ ｏ ｗ ｓ ａ ｔ — ｆ ａ ｃ ｅ（ Ｂ Ｒ Ｂ Ａ Ｊ Ｆ Ｓ ）ａ ｎ ｄ ｓ ｍ ｏ ｏ ｔ ｈ ｂ ｏ ｄ ｉ ｅ ｓ ｏ ｆ ｒ ｅ ｖ ｏ ｌ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗ ｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ Ｓ Ｓ Ｔ ｋ － ｗ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｎ ｃ ｅ ｍ ｏ ｄ ｅ １ ． Ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ
旋 成 体 环 形 射 流 表 面 优 化 设 计 与 减 阻机 理 分 析
赵刚， 李芳 ， 臧 东阳
（ 哈 尔滨工程大 学 机 电工程 学院 ， 黑龙 江 哈 尔滨 １ ５ ０ ０ ０ １ ） 摘 要： 针对 仿生射流表面减阻 问题 ， 以鲨鱼鳃部射 流为原 型 ， 建 立仿生 射流 表面模 型 ， 采 用正交 试验设 计法 ， 利用 Ｓ Ｓ Ｔ
ａ ｎｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｄ ｒ ａ ｇ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ
ＺＨＡＯ Ｇａ ｎ ｇ， Ｌ Ｉ Ｆａ ｎ ｇ， ＺＡＮＧ Ｄｏ ｎ ｇ ｙ ａ ｎ ｇ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ， Ｈ ａ ｒ ｂ ｉ ｎ １ ５ ０ ０ ０ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟
第36卷 第6期吉林大学学报(工学版) Vol .36 No .62006年11月Journal of J ilin University (Engineering and Technol ogy Editi on ) Nov .2006文章编号:1671-5497(2006)06-0908-06收稿日期:2005212229.基金项目:国际科技合作重点项目(2005DF A00850);吉林省国际合作项目(20040703-1);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20050183064).作者简介:田丽梅(1973-),女,讲师,博士.研究方向:生物表面仿生工程.E 2mail:l m tian@jlu .edu .cn 通讯联系人:任露泉(1944-),男,教授,博士生导师.研究方向:工程仿生学.E 2mail:lqren@jlu .edu .cn 仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟田丽梅,任露泉,刘庆平,赵国如(吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室,长春130022)摘 要:在前期进行的仿生非光滑旋成体模型低速风洞试验的基础上,将非光滑形态在旋成体模型上的排列方式固定为矩形布置,非光滑的尺寸固定为直径或宽度为1mm ,深度或高度为0.5mm ,在风速为44m /s 时,对布置在模型尾部的凸包形、凹坑形和棱纹形三种非光滑模型与表面光滑模型进行了对比模拟试验。
试验结果表明,布置在尾部的非光滑结构能够有效地降低模型的压差阻力,尤其是棱纹状非光滑形态模型,压差阻力降低了25.3%,总阻力降低了11.12%。
关键词:工程仿生学;仿生非光滑表面;减阻;边界层;压差阻力中图分类号:T B17 文献标识码:ANu m er i ca l si m ul a ti on on drag reducti on character isti c around bod i esof revoluti on w ith b i on i c non 2s m ooth surfaceTian L i 2mei,Ren Lu 2quan,L iu Q ing 2p ing,Zhao Guo 2ru(Key L aboratory for Terrain 2M achine B ionics Engineering,M inistry of Education,J ilin U niversity,Changchun 130022,China )Abstract:Based on the for mer drag reducti on experi m ents of the bi onic non 2s mooth body of revoluti on models in the l ow 2s peed wind tunnel,the si m ulati on wind tunnel tests at the wind s peed of 44m /s were perfor med f or the body of revoluti on models with the tail rectangularly dis posed by three different non 2s mooth structures,such as the convex dome f or m with the dia meter/height of 1.0/0.5mm ,the di m p le concave f or m with the dia meter/dep th of 1.0/0.5mm ,and the riblet for m with the width /height of 1.0/0.5mm ,in contrast with the body of revoluti on model with s mooth surface .Test results sho wed that the bi onic non 2s mooth structures on the tail of the models can obvi ously reduce the drag due t o the p ressure dr op,es pecially for the model riblet non 2s mooth f or m ,its p ressure drag was reduced by 25.3%,and its t otal drag was reduced by 11.12%.Key words:engineering bi onics;bi onic non 2s mooth surface;drag reducti on;boundary layer;drag due t o p ressure dr op 仿生非光滑表面具有减阻、脱附的功能,这已经被国内外大量的研究证实[1-5]。
仿生非光滑沟槽形状对减阻效果的影响
非光滑表面形状如三角形 、扇贝形和刀刃形沟槽表面 六面体网格 ,只能划分四面体网格 。
流场进行数值模拟 ,在实验验证的基础上分析沟槽形 2. 2 边界条件
状对减阻效果的影响 。
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 ,密度和黏性等物理性质不随
2 CFD 前处理工作
时间变化 ;不涉及传热问题 ;采用各向异性假设 。 用有限体积法求解 N2S 方程 ,近壁区采用 B2L
仿生非光滑沟槽形状对 减阻效果的影响 3
丛茜 , 封云 , 任露泉
(吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室 , 吉林长春 130025)
摘 要 : 利用有限体积法对三角形 、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽表面流场进行了数值计算 。近壁面区采用 B2 L 两层模型 ,远离壁面区采用雷诺应力模型 。分析了三种沟槽非光滑表面的流场特性 ,对计算域中心 Z = 3mm 平面的速度场 和湍流统计量进行了研究 ,分析了不同沟槽形状对减阻效果的影响 ,为最佳减阻沟槽设计提供了理论依据 。三种沟槽具有相 同的特征尺寸 ,顶点间距 s = 0. 1mm ,沟槽尖顶到谷底高度 h = 0. 05mm ,与光滑表面相比减阻效果分别为 3. 2 %、9. 1 %、9. 7 % ,数值计算结果和风洞与油槽实验结果有较好的吻合 。
运输工具表面大部分区域 ,流动处于湍流状态 ,
因此研究湍流边界层减阻意义重大 。湍流减阻技术
有泥沙减阻[1 ] 、微汽泡及吹气和吸气减阻[2 ,3 ] 、聚合物
减阻[4 ] 、涂层减阻[5 ] 、磁减阻[6 ] 、仿生非光滑减阻[7212 ]
等 ,这些技术主要是控制边界层内的湍流结构 ,特别
是拟序结构 ,从而达到控制湍流动能损耗 ,实现减阻
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述
仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述作者：王政李田李明张继业来源：《河北科技大学学报》2017年第04期摘要：介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物，阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律，针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述，提出了沟槽扩展类型，并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。
分析表明：微结构类型对减阻效果有较大影响，减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点，仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率，在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。
关键词：仿生学；表面微结构；减阻；湍流结构；气动阻力中图分类号：Q692文献标志码：A收稿日期：20161206；修回日期：20170323；责任编辑：王海云基金项目：国家自然科学基金（51605397）；牵引动力国家重点实验室自主研究课题资助项目（2016TPL_T02）第一作者简介：王政（1993—），男，河南南阳人，硕士研究生，主要从事列车空气动力学方面的研究。
通信作者：李田博士。
Email：litian2008@王政，李田，李明，等.仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述[J].河北科技大学学报，2017，38（4）：325334.WANG Zheng，LI Tian，LI Ming，et al.Review of mechanical research and aerodynamic drag reduction of bionic surface microstructures[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2017，38（4）：325334.Review of mechanical research and aerodynamic dragreduction of bionic surface microstructuresWANG Zheng1， LI Tian1， LI Ming2， ZHANG Jiye1（1.State Key Laboratory of Traction Power， Southwest Jiaotong University， Chengdu，Sichuan 610036， China； 2.CRCC Tangshan Company Limited， Tangshan， Hebei 064000，China）Abstract：Some typical living creatures with a nonsmooth surface in nature are introduced. The law of the fact that an appropriate microstructure surface can transform the turbulent structure of nearwall region is briefly stated. The research status of the type of microstructure surface， the drag reduction of microstructure surface， the mechanism of drag reduction of microstructure surface and its application so far are commented. The extended types of grooves are proposed， and it is suggested that the current research on drag reduction should be extended for structures with complexshapes. The analysis indicates that the types of bionic microstructure surfaces have great effect on drag reduction， the mechanical research and aerodynamic drag reduction are focal points of the bionic microstructure surface drag reduction technology， which can further improve the efficiency of energy conservation and reduce consumption， and has a great prospect in engineering fields such as aircraft， highspeed trains， cars， etc.Keywords：bionics； microstructure surface； drag reduction； turbulent structure；aerodynamic drag《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》提出“科学合理使用能源，大力提高能源效率，推进重点领域和关键环节节能”。
旋成体仿生凹环表面减阻试验分析及数值模拟
。被Байду номын сангаас
体轴坐标系下的空气动力系数 C AT 及 C AB 分别为
动控制法则不需要任何的辅助能量输入 , 只需改 变表面结构便可以减小物体的阻力 , 如鲨鱼体 表许多交错排列的沟槽结构, 减小了鲨鱼在水中 游动的阻力[ 3] , 受其启发国内外许多研究者均发 现沟槽表面有显著的 减阻作用 。此外 , 研究 者还发现其他非光滑表面也能起到减小空气阻力 的作用。例如 L im 等[ 6] 发现, 基于圆柱体直径的 雷诺数为 1. 2 ! 10 5 时 , 圆柱体 上的凸环 能减小 9% 的阻力 ; Bearman 等 发现 , 雷诺数在 4 ! 10 ~ 3 ! 105 内, 凹坑表面可以减小圆柱体的阻力;
( 1. 吉林大学 地面机械仿生技术教育部重点实验室 , 长春 130022; 2. 吉林大学 农学部 , 长春 130062)
摘
要: 通过风洞试验及数值模拟分析了置于旋成体后部的凹环表面结构对其底部阻力 、 摩擦
阻力及激波阻力的影响。 马赫数为 1. 79 、 基于旋成体最大直径的雷诺数为 1. 5 ! 106 的风洞 试验表明: 凹环表面可显著减小旋成体的底部阻力 , 但却增大了包含摩擦阻力和激波阻力的粘 性前部阻力 。利用 SST k 湍流模型对试验优选模型进行了数值模拟 , 结果表明: 凹环内部低 速旋转气流产生的涡垫效应和推动效应致使旋成体的摩擦阻力减小了 22. 4% , 凹环还能减弱 外部气流对旋成体截尾底部死水区的抽吸作用, 显著降低了底部阻力。 但由于凹环对气流的 扰动增加了激波阻力 , 故包含底部阻力及激波阻力的压差阻力减小并不显著, 仅为 0. 4% 。 关键词: 工程仿生学 ; 减阻 ; 风洞试验; 数值模拟; SST k 湍流模型; 旋成体 中图分类号 : T B17 文献标识码: A 文章编号: 1671 5497( 2007) 01 0100 06
仿生非光滑表面减粘降阻研究综述
关键词 ： 仿生； 非光滑； 减粘降阻； 综述 中ห้องสมุดไป่ตู้分类号 ： Ｓ １ １ Ｑ １． ３ ２
引言
文献标 识码 ： Ａ
文章编号 ：６ １ ８ ８ （０ ０ ０ － ０ ４ ０ １７ — ０ ９ ２ １ ）３０ ３ － ２
一
、
陷、 鞘翅的纵向波浪形念珠状沟槽等构成与粪便和泥土直接 接触
的非光滑表面 ， 这种非光滑表面具有脱 附的作用。雄性鞘翅 的边 缘独有 十几排覆瓦样整齐排列 的鱼鳞状刻纹 ， 强化 了此部位 的非
２１ 年 第９卷第 ３ 总第 １６ ） ００ 期（ ４期
仿生非光滑表面减粘降阻研究综述
乔立 民， 森， 军 单树 陈建
（ 空军航 空大学， 长春 吉林
摘
１０ ２ ） ３０ ２
要： 综述 了动物体表非光滑形态 ， 描述 了仿 生非光滑表 面作为新兴的应 用科 学技术在 多方面的应 用。
几何 非光滑表面 的各种形 态的仿生非光滑推土板在 固、 、 液 气三 相组成 的土壤 中， 进行其减粘减阻实验研究 。 实验结果表明， 在切
非光滑效应的区域的表面。 非光滑效应是存在于界面粘附系统或 摩擦系统中固体表面 自身影 响切 向阻力的各种现象 。 由于非光滑 效应 的不 同而存在多种非光滑 表面 ， ： 如 由几何结构 引起 的几何
光滑表面在 以固、 、 液 气三相组成 的土壤中做减粘 降阻实验 ， 验汪 非光 滑表面减粘 降阻效果 ， 寻求非光 滑表面的实用条件 ， 对非光 滑表 面减粘降阻研究有着重要 的实际意义 。 对典型土壤动物土体表的数理统计与计算机模拟表 明， 在简
对 典型土壤动物 的研究表 明其 体表 普遍存在着几何非光滑 特征 ， 其特点是一定几何形状的结构单元 随机地或规律地分布于
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旋成体仿生凹坑表面减阻试验研究
作者：张成春， 任露泉， 刘庆平， 冯家波， 秦永明， ZHANG Cheng-chun， REN Lu-quan，LIU Qing-ping， FENG Jia-bo， QIN Yong-ming
作者单位：张成春,ZHANG Cheng-chun(清华大学汽车工程系,汽车安全与节能国家重点实验室,北京,100084;吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室,吉林,长春,130022)， 任露泉,刘庆
平,REN Lu-quan,LIU Qing-ping(吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室,吉林,长春
,130022)， 冯家波,秦永明,FENG Jia-bo,QIN Yong-ming(航天空气动力技术研究院,北京
,100074)
刊名：
空气动力学学报
英文刊名：ACTA AERODYNAMICA SINICA
年，卷(期)：2008,26(1)
被引用次数：1次
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2.张成春.任露泉.王晶.张永智旋成体仿生凹坑表面流场控制减阻仿真分析[期刊论文]-兵工学报 2009(8)
本文链接：/Periodical_kqdlxxb200801015.aspx。