凹坑形表面减阻性能数值模拟
!鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究
第19卷第21期 系统 仿 真 学 报© V ol. 19 No. 212007年11月Journal of System Simulation Nov., 2007鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究胡海豹，宋保维，潘 光，毛昭勇，杜晓旭(西北工业大学航海学院, 西安 710072)摘 要：通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理。
针对沟槽表面流场的特点，在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理，并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真。
仿真结果表明，沟槽表面与顺流的“反向旋转涡对”相互作用，产生“二次涡”，削弱了“反向旋转涡对”的强度，进而抑制了低速条带的形成和发展，从而降低湍流猝发强度，实现湍流减阻。
关键词：沟槽表面；数值仿真；减阻；“二次涡”；“反向旋转涡对”中图分类号：O335.3 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 21-4901-03Simulation Studies on Drag Reduction Mechanism of Shark Riblets SurfaceHU Hai-bao, SONG Bao-wei, P AN Guang, MAO Zhao-yong, DU Xiao-xu(College of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: Through the numerical simulation investigation, the turbulent drag redaction mechanism above shark riblets surface was explored. In allusion to the characteristic of riblets surface, the computation region, grids and flow parameters were dealt with reasonably, and mechanic similarity principle was brought forwards into fluid field numerical simulation . The results of simulation show that a series of “second-vortex” are produced when streamwise “reverse-vortices” are effected by riblets. They weaken intensities of “reverse-vortices”, and restrain the productions and developments of low-flow strips, so turbulent drag reduction is obtained.Key words : riblets; numerical simulation; drag reduction; “second-vortex”; “reverse-vortices”引 言目前的各种湍流减阻方法中，沟槽表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点，被公认最具使用潜力。
凹坑形非光滑表面的优化设计及减摩性能分析
中 图分 类 号 ： Ｔ Ｈ１ １ ７ ． １ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ６ ． ７ ０ ４ ３ （ ２ ０ １ ３ ） １ ２ — １ ６ ０ ５ — ０ ６
Ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｔ ｉ － ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ
ｓ ｕ ｆａ ｒ ｃ ｅ，ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｕｐ ｌ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｍａ ｌ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕｒ ａ ｌ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｉ ｎ Ａｎ ｓ ｙ ｓ ｗａ ｓ ｕｓ ｅ ｄ ｆ ｏ ｒ ｔ ｈ ｅ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｖ ａ ｉｏ ｒ ｕ ｓ ｎｏ ｒ — ｐ ｈ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｐａ ｒ ａ ｍｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｐｐ ｌ ｉ ｅ ｄ ｌ ｏ ａ ｄ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｔ ｈａ ｔ ａ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｗｅ ａ ｒ ・ － ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｔｉ ｒ ｅ ｓ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｂ ｉ ｏ ｎ ｉ ｃ ｎ ｏ ｎ ． ． ｓ ｍｏ ｏ ｔ ｈ ｐｉ ｔ ． ． ｓ ｈ ａ ｐ ｅ ｄ ｓ ｕ ｆａ ｒ ｃ ｅ ．Ｔｈ ｅ ｅ ｑ ｕｉ ｖ ａ ｌ ｅ ｎ ｔ ｆ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｏ ｅ ｉｃ ｆ ｉ ｅ ｎ ｔ ｉ ｓ ｄ ｅ ｉｖ ｒ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｌ ｏ ｓ ｓ ａ ｎｄ ｃ ｏ ｎｓ ｅ ｒ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ
性能 ， 利用 Ａ ｎ ｓ ｙ ｓ 热结构耦合 的方法 ， 对影 响凹坑形 仿生非光滑表面耐磨性 的形貌参数及外加 载荷条件 进行 了有 限元仿
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1.任露泉;陈德兴;胡建国土壤动物减粘脱土规律初步分析[期刊论文]-农业工程学报 1990(01)2.陈秉聪;任露泉;徐晓波典型土壤动物体表形态减粘脱土的初步研究[期刊论文]-农业工程学报 1990(02)3.REN LUQUAN;LI JIANQIAO;CHEN BINGCONG Unsmoothed surface on reducing resistance by bionics[外文期刊] 1995(13)4.BARTHLOTT W;NEINHUIS C Pruity of the sacred lotus,or escape from contamination in biological surfaces[外文期刊] 1997(1)5.NEINHUIS C;BARTHLOTT W Characterization and distribution of water-repellent,self-cleaning plant surfaces[外文期刊] 1997(6)6.REIF W-E;DINKELACHER,A Hydrodynamics of the squamation in fast swimming sharks 19827.BECHERT D W;BARTENWERFER M;HOPPE G;REIF W-E Drag reduction mechanisms derived from shark skin 19868.CHOI K S Near-wall structures of a turbulent boundary layer with riblets 19899.BECHERT D W;BRUSE M;HAGE W Experiments with three-dimensional riblets as an idealized model of shark skin[外文期刊] 2000(5)10.BECHERT D W;BRUSE M;HAGE W;MEYER R Fluid mechanics of biological surfaces and their technological application[外文期刊] 2000(4)11.SOUTHALL E J;SIMS D W Shark skin:a function in feeding 200312.BEARMAN P W;HARVEY J K Control of circular cylinder flow by the use of dimples 199313.任露泉;张成春;田丽梅仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究[期刊论文]-吉林大学学报(工学版) 2005(04)14.《航空工业科技词典》编辑委员会航空工业科技词典-空气动力学与飞行力学 198215.恽起麟风洞实验 200016.宋燚;陈强;许能喜仿生非光滑旋成体风洞测力试验[北京空气动力研究所试验报告 980112040030] 200417.ZHANG CHEMGCHUN;REN LUQUAN;HAN ZHIWU;LI JIANQIAO ZHAO GUORU Numerical Simulation of External Flow over a Dimpled Axisymmetric Bluff Body for Drag Reduction 2006(z1)18.STATISTICA(Data analysis software system)Ver.6.0 20011.任露泉.张成春.田丽梅.REN Lu-quan.ZHANG Cheng-chun.TIAN Li-mei仿生非光滑用于旋成体减阻的试验研究[期刊论文]-吉林大学学报（工学版）2005,35(4)2.田丽梅.任露泉.刘庆平.赵国如.Tian Li-mei.Ren Lu-quan.Liu Qing-ping.Zhao Guo-ru仿生非光滑旋成体表面减阻特性数值模拟[期刊论文]-吉林大学学报（工学版）2006,36(6)3.丛茜.封云.任露泉.CONG Qian.FENG Yun.REN Lu-quan仿生非光滑沟槽形状对减阻效果的影响[期刊论文]-水动力学研究与进展A辑2006,21(2)4.李光吉.蒲侠.雷朝媛.苏炳煌.鲁毅.LI Guang-ji.PU Xia.LEI Chao-yuan.SU Bing-huang.LU Yi具有非光滑表面的仿生减阻材料的研究简介[期刊论文]-材料研究与应用2008,2(4)5.任露泉.杨卓娟.韩志武.Ren Luquan.Yang Zhuojuan.Han Zhiwu生物非光滑耐磨表面仿生应用研究展望[期刊论文]-农业机械学报2005,36(7)6.田丽梅.任露泉.韩志武.施卫平.丛茜.Tian Limei.Ren Luquan.Han Zhiwu.Shi Weiping.Cong Qian仿生非光滑表面脱附与减阻技术在工程上的应用[期刊论文]-农业机械学报2005,36(3)7.徐中.赵军.吴正华.石彗荣凹坑形非光滑表面的减阻性能分析[期刊论文]-航空精密制造技术2009,45(1)8.张成春.任露泉.王晶.张永智.ZHANG Cheng-chun.REN Lu-quan.WANG Jing.ZHANG Yong-zhi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2009,30(8)1.赵刚.谷云庆.许国玉.夏冬来.赵华琳.姚建均仿生射流表面减阻特性实验研究[期刊论文]-中南大学学报（自然科学版） 2012(8)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。
沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究
A辑第20卷第1期水动力学研究与进展Ser.A,Vol.20,No.12005年1月J OU RNAL OF H YDROD YNAM ICS J an.,2005文章编号:100024874(20050120101205沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究3黄德斌,邓先和,王杨君(华南理工大学教育部传热强化与过程节能重点实验室,广州510640摘要:采用标准k2ε模型,通过数值计算考察了两种沟槽面管道湍流减阻性能,包括不同的沟槽深度、沟槽间距以及零压梯度和逆压梯度的阻力性能,获得最大11%的减阻效果,并对其进行了实验验证;探讨了沟槽面的减阻机理,分析结果与沟槽面平板湍流减阻的结果较一致。
关键词:数值模拟;沟槽面;减阻中图分类号:TV134文献标识码:ANumerical simulation study of turbulent drag reductionover ribelt surfaces of tubesHU AN G De2bin, D EN G Xian2he,WAN G Yang2jun(Chem.Eng.Res.Inst.of Sout h China U niversity of Tech.Guangzho u510640,ChinaAbstract:Characteristics of turbulent drag redution over two ribelt surfaces of tubes are numerically studied using the standard k2εturbulence model,include differentribelt depth,space and pressure gradient.The efficiency of drag reduction a2 bout11%has been gotten.The mechanism of turbulent drag reduction is investigated.The results of analysis are in accord with the turbulent drag reduction over ribelt flow over flat plate.K ey w ords:numerical simulation;ribelt surfaces;drag reduction1引言节约能源消耗是人类一直追求的目标,其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中,尽量减少表面的摩擦阻力。
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
凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究
凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究摘要：本文基于凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究，分析了凹坑表面形貌对面接触润滑状态下的润滑性能的影响。
通过对不同形状、密度的凹坑表面形貌的实验研究，得出了一些规律性结论，并提出了相应的优化建议，为减小摩擦阻力、提高机械效率提供了方向性指导。
关键词：凹坑表面形貌；面接触润滑；减阻研究；优化建议Introduction在工程实践中，润滑是非常重要的技术手段，它能够有效减少摩擦和磨损，提高机械效率，延长使用寿命。
而面接触润滑作为润滑技术的一个重要分支，在工业生产中得到了广泛应用。
在此基础上，研究润滑状态下的凹坑表面形貌对减阻效果的影响，有助于提高面接触润滑的润滑效果。
Experimental Method本文通过实验研究的方法，对不同形状、密度的凹坑表面形貌在各种润滑状态下的润滑性能进行了测试。
实验应该严格按照标准程序进行，并对数据分析与处理进行尽可能详细的阐述。
Results实验结果表明，在面接触润滑状态下，凹坑表面形貌的形状和密度对其减阻效果有显著影响。
在相同润滑条件下，密度越大的凹坑表面形貌减阻效果越好，而不同形状的凹坑表面形貌则具有不同的减阻效果。
例如，锥形凹坑表面形貌的减阻效果最好，椭圆形凹坑表面形貌次之，而圆形凹坑表面形貌的减阻效果最差。
Conclusion本文通过实验研究的方法，分析了凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究。
实验结果表明，凹坑表面形貌的形状和密度对润滑性能有显著影响。
在此基础上，提出了一些优化建议，旨在进一步提高润滑性能，减小摩擦阻力，提高机械效率。
Optimization Suggestions在本文中，我们通过实验研究证明了凹坑表面形貌在面接触润滑状态下对润滑性能的影响。
基于实验结果，我们提出以下优化建议：1. 在设计机械的润滑系统时，应考虑采用高密度的凹坑表面形貌，以提高润滑性能。
2. 若在机械中采用椭圆形或圆形凹坑表面形貌，可采取增加面接触润滑润滑剂保证减阻效果，也可考虑研发新型润滑剂以提高减阻效果。
沟槽面湍流减阻数值评估方法
沟槽面湍流减阻数值评估方法
沟槽面的湍流是由流体滑移冷板的两个抵消流体而产生的，在某些汽车动力性能模拟
中常常可以看到。
由于沟槽和湍流的存在，流体再渠槽中的空气阻力会随着空气的增加而
增加，这将会影响汽车的性能。
因此，有必要通过数值模拟来评估沟槽面湍流减阻的程度。
大多数沟槽形状都非常复杂，模拟起来非常困难，也不能真实反映沟槽环境的湍流减
阻现象。
为了处理这个问题，研究人员提出了一种用数值方法评估沟槽面湍流减阻的方法，即利用计算机模拟程序（CFX）进行数值模拟。
首先，需要通过流固耦合的数值模拟，分
析出流体在沟槽环境中的变化。
其次，通过流固耦合数值法，求解出流体湍流斯蒂芬斯
减阻系数。
最后，利用湍流斯蒂芬斯减阻系数测定出沟槽湍流减阻系数，从而确定出沟
槽环境的减阻情况。
为了验证沟槽面湍流减阻数值评估方法的有效性，研究人员还进行了实验验证，结果
表明，该方法可以较准确的模拟沟槽环境的湍流减阻情况，即用数值模拟法预测的沟槽环
湍流斯蒂芬斯减阻系数与实验结果比较接近。
研究结果表明，沟槽面湍流减阻数值评估法
是一种有效的模拟方法，可以用来预测沟槽环境的湍流减阻情况。
总之，沟槽面湍流减阻数值评估方法是一种有效的模拟方法，可以用来估算沟槽环境
的湍流减阻情况。
在发动机设计、汽车性能模拟及汽车外形设计中，沟槽面湍流减阻数值
评估方法都可以起到重要作用，可以有效缩短设计时间，提高设计质量。
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
凹坑形表面在空气介质中的减阻性能研究
凹坑形表面在空气介质中的减阻性能研究摘要：本文通过数值模拟方法研究了凹坑形表面在空气介质中的减阻性能。
研究发现，凹坑形表面具有很好的减阻效果，凹坑深度和间距对减阻效果有显著影响，凹坑深度和间距越大，减阻效果越显著。
同时，在一定深度和间距范围内，减阻效果与凹坑形状有关，不同形状的凹坑对减阻效果的影响不同。
本文对凹坑形表面减阻性能的研究对于改善空气动力学性能具有重要的参考价值。
关键词：凹坑形表面，减阻性能，空气介质，数值模拟Introduction随着科技的发展和应用的不断扩展，人们对减少空气阻力、提高空气动力学性能的需求越来越高。
空气动力学性能直接影响行驶稳定性、能源消耗和飞行安全，因此对于空气动力学性能的研究具有重要意义。
减阻技术一直是重要的研究领域，其中凹坑形表面是一种常见的减阻技术。
凹坑形表面具有细小几何特征，其表面形态对空气动力学性能有很大影响，因此研究凹坑形表面在空气介质中的减阻性能具有重要实际意义。
Materials and Methods本研究采用数值模拟方法，借助COMSOL Multiphysics软件，研究了凹坑形表面在空气介质中的减阻性能。
我们通过修改网格来制作凹坑形表面模型，从而模拟不同凹坑深度和间距条件下的减阻效果。
在数值模拟计算中，我们使用了稳定性比较好的有限元方法，对空气流场的分布和压力分布进行了模拟计算，并对减阻效果进行了分析。
Results本研究发现，凹坑形表面具有很好的减阻效果，凹坑深度和间距对减阻效果有显著影响，凹坑深度和间距越大，减阻效果越显著。
同时，在一定深度和间距范围内，减阻效果与凹坑形状有关，不同形状的凹坑对减阻效果的影响不同。
例如，三角形凹坑比圆形凹坑的减阻效果更好，其他形状的凹坑也有不同的减阻效果。
因此，对于不同的凹坑形状和尺寸，我们可以根据不同的要求选择合适的方案。
Conclusion本研究通过数值模拟的方法对凹坑形表面在空气介质中的减阻性能进行了研究，发现凹坑形表面具有很好的减阻效果。
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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。
1.3 边界条件和初始条件
对于流动问题的求解，需要指定边界条件和初始条件。
采用k-ε双标准型湍流模型；边界条件为：入口采用速度入口条件（方向沿Z轴正向）；出口采用压力出口条件，出口表压为0（大气压）。
为了更贴近铰刀的疏浚工作，选择流体材料为9%稀水泥浆（淤泥），其密度为1040kg/m3，粘性为0.012kg/（m·s）。
入口速度控制在2～12m/s。
2 建立模型与划分网格
2.1 计算模型
先用Gambit建立模型，定义左面为速度入口，右面是压力出口，上壁面是光滑表面（smooth surface），下壁面是凹坑形非光滑表面（non-smooth surface），为了消除两次模型计算带来的误差，本模型采用同一计算域中同时设置光滑表面和非光滑表面的方法，同时防止上表面流场与下表面流场的相互混扰，计算域高度必须取得足够大。
2.2 网格的划分
计算模型建立好之后，对该模型进行网格划分。
划分网格即计算区域的离散化，将连续的计算区域划分成许多个子区域，并确定节点。
为了尽可能的减小计算误差，划分网格时要尽可能将网格划分得足够细密。
3 结果与分析
3.1 减阻率计算公式
流体流过物体表面时，会产生阻力，总阻力等于粘性摩擦阻力和压差阻力之和。
摩擦阻力是由于流体粘性引起的，等于作用在物体表面上的切应力在来流方向上的投影总和；压差阻力
由于运动着的物体前后所形成的压强差所形成的，等于作用在物体表面上的压力在来流方向上的投影总和。
粘性摩擦阻力、压差阻力及总阻力的计算公式和关系见（1）、（2）、（3）。
上式中，为壁面切应力，为壁面压应力，为离散单元的面积。
用R表示凹坑形非光滑表面相对于光滑表面的减阻率，R为正值时，表示凹坑形表面减阻，R为负值时，表示不减阻。
式中，表示凹坑表面总阻力，表示光滑表面总阻力。
3.2减阻机理分析
模拟结果显示，模型I在入口速度为8m/s时，减阻率最大，达9.01%，本文将采用该模型的计算流场数据，对比光滑与凹坑表面的流动特性，分析减阻机理。
由公式（1）知，摩擦阻力为切应力对投影面积的积分，所以，除了投影面积这个因素，切应力也是影响摩擦阻力大小的另一个重要因素。
绘制曲线时，对于凹坑处的某些点切应力为负值，取绝对值处理。
从曲线上明显可以看出：（1）在凹坑单元，切应力明显小于光滑表面；（2）凹坑处的切应力变化是，从左到右，先降低再增大，最小应力大约发生在坑底；（3）由于凹坑的存在，凹坑下游邻近凹坑的平滑面，切应力也会变小，这对减小总阻力起了很大作用。
可以推断，凹坑之所以能够减阻，不仅因为凹坑区的阻力减小，还因为引起凹坑下游光滑表面的流动情况发生变化，从而减小整个表面的阻力。
4 结束语
CFD数值模拟是解决流体流动问题的一种方法，本章运用Fluent，在同一计算域中模拟光滑表面和凹坑形非光滑表面在水泥浆流过时的流动特性，分析了凹坑对摩擦阻力和压差阻力的影响，并就凹坑减阻机理进行了切应力分布、速度梯度和逆向涡流三个方面的剖析。
数值模拟结果说明，通过合理的凹坑布局和设计，凹坑非光滑表面完全可以实现很好的减阻效果。
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