【CN110096749A】基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法【专利】
表面形貌在面面接触乏油状态下的减阻效果实验

基 金项 目 :国家 自然 科学 基金项 目 (070 8 . 545 1 )
Ha o g ig W a g Ja a Ch n Da o g n Zh n l n n id o e rn
(tt K yLb rtyo Tio g ,s gu nvri ,e ig10 8 ,hn ) Sa e aoa r f r l y Ti h aU i sy B in 00 4 C ia e o b o n e t j
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20 06年 7月 第 7期 ( 总第 19期 ) 7
润滑与密封
LUBRI AT ON NGI C I E NEERI NG
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表 面 形 貌 在 面 面 接触 乏 油状 态 下 的减 阻效 果 实验
l tpt r f e l c so s i a e u ef to . mp r wih te t ln smild,h wop a e ca e h v f e i p o l ie s ae ff h,tc n r d c rcin Co ae t h wop a e le t et ln ssr p a e e i k l i i d d moe ls rcin o iu l S he sr p d p a e c n rd c rc o n e h o d t n fpa — l e c n a ta d ol r e sf to bvo sy,O t c a e ln a e u e fit n u d rt e c n ii s o lnep a o tc n i i i o n — lc . a k Ke wo d :l n ・ ln o tc ;u f ep o l oll c y r s pa e- a e c na t s r ̄ rf e; i・a k p i -
沟槽型面减阻特性数值模拟研究

沟槽型面减阻特性数值模拟研究
余雷;杨旭东
【期刊名称】《航空计算技术》
【年(卷),期】2009(39)1
【摘要】基于人工压缩性方法,时间项采用隐式离散、对流项采用基于Roe近似Riemann解的迎风格式,研究了三维不可压粘性流动的数值模拟方法,湍流模型采用Baldwin-Barth一方程模型,利用所发展的不可压粘性流数值模拟方法,对典型几类V型、间隔三角型和U型沟槽型面的不可压粘性流场进行了数值模拟计算研究,探索了上述几类沟槽型面参数对湍流减阻特性的影响规律,从表面摩阻、速度场等方面分析了上述几类沟槽型面的减阻作用机理.研究结果表明:上述典型沟槽的减阻效果可以分别达到7.6%,10.5%和5.0%,与国内外相关实验结果符合一致,所发展的计算方法是成功的、可行的.
【总页数】4页(P56-59)
【作者】余雷;杨旭东
【作者单位】西北工业大学,航空学院,陕西,西安,710072;西北工业大学,航空学院,陕西,西安,710072
【正文语种】中文
【中图分类】V211.3
【相关文献】
1.壁面沟槽减阻数值模拟研究 [J], 李恩田
2.沟槽形貌构型对仿生薄膜减阻特性的影响∗ [J], 封贝贝;陈大融;刘志勇;姜胜耀
3.壁面沟槽减阻数值模拟研究 [J], 李恩田;
4.基于LES模拟的微沟槽湍流减阻特性数值研究 [J], 朱涵;黎义斌;李小斌;郭东升;张红娜;李凤臣
5.局部近似平面V型沟槽减阻特性数值模拟研究 [J], 徐琰;张臣;汪子轩
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异形微结构表面润湿特性数值研究

表面技术第52卷第12期异形微结构表面润湿特性数值研究孙小涵1,2,党超1,2*,王小伟3(1.北京交通大学 机械与电子控制工程学院 热能工程研究所,北京 100044;2.微细尺度流动与相变传热北京市重点实验室,北京 100044;3.国家能源集团科学技术研究院有限公司,南京 210023)摘要:目的通过表面异形微结构设计实现低表面能有机工质的润湿性调控。
方法运用VOF模型针对不同表面能工质液滴在多种异形微结构表面的润湿情况进行仿真研究,着重分析了微结构构型、微结构间距、宽度等几何参数尺寸对液滴润湿行为的影响,提出了微结构表面实现润湿状态转变的临界判别准则。
结果研究发现单层双折返微结构疏液性能远优于单层单折返和单层柱形微结构表面,可以在不依赖表面化学的情况下,实现本征接触角为5°的低表面能工质的超疏水状态。
单层柱形微结构在间距100~250 μm时,临界本征接触角大于90°。
单层单折返微结构在间距100~250 μm时,临界本征接触角大于19°。
双层异形微结构疏液性明显低于单层异形微结构。
结论相较于单层柱形微结构和单层单折返微结构,单层双折返微结构可以实现对低表面能工质的排斥,液滴在异形微结构间距较大、宽度较小的条件下,也能保持良好的超疏水性。
双层异形微结构由于结构尺寸较小,毛细力作用显著,表面疏液性能仅与上层微结构有关,下层结构的能量壁垒失效。
除此之外,基于研究内容,利用异形微结构润湿性差异,提出了可实现低表面能液滴定向运输的异形微结构表面。
关键词:异形微结构;本征接触角;润湿状态;低表面能工质;几何参数中图分类号:TK123 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)12-0160-09DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.12.014Numerical Study on Wetting Characteristics ofSpecial-shaped Microstructure SurfaceSUN Xiao-han1,2, DANG Chao1,2*, WANG Xiao-wei3(1. Institute of Thermal Engineering, School of Mechanical, Electronic and Control Engineering, Beijing JiaotongUniversity, Beijing 100044, China; 2. Beijing Key Laboratory of Flow and Heat Transfer of Phase Changing in Micro and Small Scale, Beijing 100044, China; 3. National Energy Group Science and TechnologyResearch Institute Co., Ltd., Nanjing 210023, China)ABSTRACT: Superlyophobic surfaces are playing an increasingly important role in practical applications due to their excellent performance such as self-cleaning, anti-icing and droplet manipulation. In practical application, low surface energy working收稿日期:2023-10-01;修订日期:2023-11-20Received:2023-10-01;Revised:2023-11-20基金项目:国家自然科学基金(52106069);装备预研教育部联合基金(8091B032247)Fund:National Natural Science Foundation of China (52106069); Joint fund of Equipment Pre-Research and the Ministry of Education (8091B032247)引文格式:孙小涵, 党超, 王小伟. 异形微结构表面润湿特性数值研究[J]. 表面技术, 2023, 52(12): 160-168.SUN Xiao-han, DANG Chao, WANG Xiao-wei. Numerical Study on Wetting Characteristics of Special-shaped Microstructure Surface[J]. Surface Technology, 2023, 52(12): 160-168.*通信作者(Corresponding author)第52卷第12期孙小涵,等:异形微结构表面润湿特性数值研究·161·medium is the most widely used working medium except water, but the properties of low surface energy working medium are obviously different from water, so how to realize the control of wettability of low surface energy organic working medium has become the main concern of the industry. To investigate the mechanism of wettability regulation of low surface energy working fluid by special-shaped microstructures, simulation studies were conducted on a variety of special-shaped microstructure surfaces. VOF model was used in this work to simulate the wettability of different surface energy working media on special-shaped microstructure surface. Contact angle was an important index to measure wettability. This work focused on analyzing the effect of microstructure, spacing and upper microstructure surface width on the wetting behavior. It was found that the lyophobic performance of single-layer double reentrant microstructure was much better than that of single-layer single reentrant and cylindrical microstructures, and the superlyophobic state of low surface energy working medium with intrinsic contact angle of 5° could be achieved without relying on surface chemistry. When the spacing of the cylindrical microstructure was between 100 μm and 250 μm, the critical intrinsic contact angle was more than 90°. When the single-layer single reentrant microstructure was between 100 μm and 250 μm, the critical intrinsic contact angle was more than 19°. The lyophobicity of single-layer double reentrant microstructures to low surface energy working fluids was less affected by the spacing and width of special-shaped microstructures. The study of droplet wetting behavior showed that the smaller the solid-liquid interface contact area, the larger the apparent contact angle, and the better the lyophobic performance. At the same time, the energy barrier of the reentrant structure had a great effect on the improvement of lyophobicity. Therefore, the double-layer special-shaped microstructure with a small width of the first layer was designed to reduce the contact area and increase the energy barrier. Due to the small size of the double-layer special-shaped microstructure and the significant effect of capillary force, the surface lyophobic performance was only related to the upper microstructure, and the energy barrier of the lower structure failed. In addition, based on the research content and the wettability difference of special-shaped microstructure, a special-shaped microstructure surface which could realize directional transport of droplets was proposed. The results show that the self-drive of low surface energy droplets can be effectively realized through the surface microstructure design. Simple operation and low energy consumption are of great significance for practical applications.KEY WORDS: special-shaped microstructure; intrinsic contact angle; wetting state; low surface energy working medium;geometric parameters随着石油工业、航空航天、生物医疗等行业的高速发展,对自洁防污等高性能表面的需求逐渐增大。
【CN109711094A】一种基于分子动力学模拟微观结构表面防结冰性能的评价方法【专利】

权利要求书2页 说明书7页 附图2页
CN 109711094 A
CN 109711094 A
权 利 要 求 书
1/2 页
1 .一种基于分子动力学模拟微观结构表面防结冰性能的评价方法,其特征在于,包括 以下步骤:
1)基于分子动力学仿真软件LAMMPS建立基体表面不同形状微结构与水的接触模型;采 用三维周期盒子,首先在XY轴上建立无限长、厚度一定的平面基体,然后在平面基体上构建 规则阵列微结构,控制微结构上下面的形状与尺寸得到特定形状的微结构,同时定义微结 构高 度与间距 ;微结构创建 后 ,固定基体与微结构的 原子坐标 ;在微结构上生成水分子 ,保 证水分子与基体距离保持在截断半径内,并进行能量最小化设置;
( 19 )中华人民 共和国国家知识产权局
( 12 )发明专利申请
(21)申请号 201910046416 .X
(22)申请日 2019 .01 .18
(71)申请人 南京航空航天大学 地址 211106 江苏省南京市秦淮区御道街 29号
(72)发明人 陶杰 许杨江山 沈一洲 江家威 卢阳
(74)专利代理机构 北京恒创益佳知识产权代理 事务所(普通合伙) 11556
4 .根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于:在步骤3)中,降温速度,降温范围与输 出时间步长均可自行设定。降温速度一般在0 .1k/ns-1k/ns之间,降温范围从室温到200k附 近任意值。
5 .根据权利要求1所述的评价方法,其特征在于:在步骤4)中,设定的平衡温度可以设 定为冰点以 下的 任意温度 ,优选选择230k ,保温时间需要随保温温度改变 ,温度较高时 ,保 温时间需要延长,温度较低时保温时间缩短。
3)基于分子动力学仿真软件LAMMPS对步骤2)得到的平衡态模型进行降温动力学弛豫; 在一个大气压下,设定温度从298k均匀变化到200k或以下温度,降温速度可因精确度而定, 每隔固定步长设定一个状态点,利用dump命令输出各个状态点的水分子坐标;
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。
微结构超疏水表面减阻特性数值研究_宋保维

∑α
i
ρi = αw ρw + ( 1 - αw ) ρa
( 4)
给出 . 所有的其它属性( 如粘度) 都以这种方式计算 . 通道左端为均匀速度入口, 右端为自由流出口, 流体为水 . 初始状态 时, 凹 槽 内 充 满 空 气, 即气液交界面
2 为 一条与槽顶部平齐的直线 . RNG k-ε 模型要求指定 k 和 ε 的初始值 . 其中湍动能 k = 3 ( u avg I ) / 2 , 湍流耗散 3 /4 3 /2 率 ε = C μ k / l. 所以需要确定湍流强度 I 和湍流尺度 l. 湍流强度 I 定义为相对于平均速度 i = u avg 的脉动
2
2. 1
计算结果及分析
流场特性分析 ·s - 1 来流速度下, 在 V = 10 m 对微观尺寸为 a = d = h = 0. 01 mm 的超 疏 水 表 面 流 场 进 行 模 拟, 图 2 为超
图 3 为随机选中的凹槽中的气液速度矢量图 . 疏水表面的近壁面速度分布图, 从图 2 可以看出, 疏水表面壁面处的流动在凹槽上方和肋板( 即图 1 中长度标为 d 的部分 ) 上方出现了 明显的不同 . 肋板上方的接触为固 -液接触, 固 -液界面处速度为零, 速度梯度较大; 而凹槽上方的接触为气 -液 气 -液界面处速度不为零, 使得速度梯度较小 . 如 图 3 所 示, 可以看到凹槽内形成了与微观结构尺寸相 接触, 当的低速气体漩涡, 这是造成气 -界面速度不为零的主要原因, 从而也导致了宏观上的壁面滑移 .
1
物理数学模型
针对超疏水微结构的特点, 将其简化为具有规则形状的凹槽, 对两平行 平 板 间 流 场 进 行 模 拟, 其中上壁
收稿日期: 2012 - 04 - 27 ; 修回日期: 2012 - 08 - 04 基金项目: 国家自然科学基金重点项目( 50835009 ) 、 青年项目( 51109178 ) 及陕西省自然科学基础研究计划项目( 2010JQ1009 ) 资助 E-mail : songbaowei@ nwpu. edu. cn 作者简介: 宋保维( 1963 - ) , 男, 博士, 教授, 主要从事水下航行器研究, * 通讯作者 E-mail : gyhguoyunhe@ sina. cn
基于Fluent的非光滑表面减阻仿真实验

基于Fluent的非光滑表面减阻仿真实验
冯晓明;朱东坡;颜兵兵;陈光;田桂中
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2024(41)1
【摘要】该文基于有限元法构建了一套可用于非光滑表面减阻仿真的实验方案。
将在ICEM中划分的非光滑表面模型网格导入ANSYS中的Fluent模块进行仿真计算,通过对比分析不同速度、不同展向间距圆锥微结构的减阻率评估减阻效果,并利用可视化功能观测速度、压力和湍动能云图,探究了由圆锥微结构构成的非光滑表面减阻规律,为减阻性能方面研究提供了一种新的思路。
【总页数】6页(P85-90)
【作者】冯晓明;朱东坡;颜兵兵;陈光;田桂中
【作者单位】江苏科技大学机械工程学院;佳木斯大学机械工程学院;江苏科技大学教务处
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.9
【相关文献】
1.基于非光滑表面的沟槽减阻数值仿真研究
2.基于边界层理论的非光滑减阻表面结构的研究
3.基于气泡型非光滑表面的弹丸减阻性能研究
4.基于非光滑表面的直升机尾舱门减阻技术
5.基于凸包非光滑表面的高速列车减阻技术
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试验数据相似性修正减阻效果预测模型

试验数据相似性修正减阻效果预测模型王小丹;王寿喜【期刊名称】《天然气与石油》【年(卷),期】2018(36)6【摘要】为评价输油管道加剂运行状态,建立减阻效果预测模型.针对已有模型无法实现不同工况下减阻效果的类比预测,在应用中需提前求解模型待定系数,所求参数不具备横向扩展应用性等问题,在相关模型基础上,通过分析处理现场加剂试验数据对其进行相似性修正,引入管径、油品黏度修正系数,简化减阻效果预测复杂度,扩大预测模型适用范围;在考虑了减阻剂剪切稀释性问题后,根据管道实际加剂情况,量化求解降解率系数,提高模型预测精度;基于现场试验数据进行回归验证,求得模型待定系数值;最后得到适用于原油和成品油管道的通用减阻效果预测模型,并结合现场试验数据进行误差分析,检测预测模型精度.结果表明,经试验数据相似性修正得到的减阻效果预测模型,与经验公式的预测效果相比,预测精度有所提升,优于原有模型,可用于指导减阻剂在现场的应用,改善模型参数无法横向扩展应用的问题,实现减阻效果类比预测功能.【总页数】9页(P7-15)【作者】王小丹;王寿喜【作者单位】陕西延长石油集团山西销售有限公司,山西太原030006;西安石油大学石油工程学院,陕西西安710065【正文语种】中文【相关文献】1.钻杆减阻工具减阻效果计算与分析 [J], 祝效华;朱虎军;司念亭;左凯;童华2.用流体力学理论计算分析减阻泳装的减阻效果 [J], 傅吉全;李文静;温宇红;付建西3.添加剂分子结构对减阻性能的影响及减阻效果的试验结果 [J], 沃良华;廖其奠4.厢式货车气动减阻装置的减阻效果研究 [J], 许建民;范健明5.供热管道减阻涂层减阻效果的实验研究 [J], 苗庆伟;张欢;王淮;赵惠中;常娅娜;刘秀清;刘洋因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910260256.9
(22)申请日 2019.04.02
(71)申请人 江苏理工学院
地址 213001 江苏省常州市中吴大道1801
号
(72)发明人 叶霞 顾江 徐伟 范振敏 张鹏
杨晓红 徐胜 陆磊 冯欢
(74)专利代理机构 常州佰业腾飞专利代理事务
所(普通合伙) 32231
代理人 刘松
(51)Int.Cl.
G06F 17/50(2006.01)
(54)发明名称基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法(57)摘要本发明公开了一种基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,具体为:(1)建立模型:建立不同微结构表面上的流体模型,根据微结构参数调整流体模型;(2)网格划分:在Ansys的Icem模块中打开流体模型并进行网格划分,得到mesh文件;(3)求解运算:打开mesh文件,选择计算模型和施加边界条件后,求解得到case 文件;(4)导出数据:将case文件中的数据导出,输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据;(5)处理数据:对上一步数据进行处理,对比光滑表面与微结构表面的压差值,计算得到减阻率,绘制数据图;(6)分析评价:对数据图形进行分析,寻找不同微结构表面的减阻规律,评价
其减阻效果。
权利要求书1页 说明书5页 附图4页CN 110096749 A 2019.08.06
C N 110096749
A
权 利 要 求 书1/1页CN 110096749 A
1.一种基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于:
(1)建立模型:采用Icem、Cad和Caxa软件建立不同微结构表面上的流体模型,根据微结构参数调整流体模型;
(2)网格划分:在Ansys的Icem模块中打开步骤(1)所建立的微结构表面上的流体模型并进行网格划分,针对不同的微结构形貌采用不同的网格,需定义模型的出入口和壁面部分,对模型进行块的建立与划分,保证每个微结构作为一个独立的块,划分块之后设置网格信息将划分的块与各个部分进行关联,圆形微结构采用O形网格,三角状微结构采用Y形网格,矩形微结构采用四边形网格,得到mesh文件;
(3)求解运算:在Fluent模块打开步骤(2)所得mesh文件,计算求解所使用的计算模型为层流L aminar和VOF模型,材料设置中添加液态水,相位设置中air为第一相,water-liquid为第二相,边界条件采用速度入口与压力出口;
(4)导出数据:将步骤(3)所得case文件进行后处理操作,输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据;
(5)处理数据:对步骤(4)所得数据进行处理,对比光滑表面与微结构表面的压差值,并采用(ΔP光-ΔP微)/ΔP光计算得到减阻率,采用Origin软件绘制数据图;
(6)分析评价:对步骤(5)所得数据图形进行分析,寻找不同微结构表面的减阻规律,评价其减阻效果。
2.根据权利要求1所述的基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于:所述的(2)网格划分步骤,使用Icem软件构建二维半圆凹坑状微结构表面的流体模型,先建立原点,再依次以原点为参考点建立节点。
3.根据权利要求1所述的基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于所述的(3)求解运算步骤,初始化过程:在Adapt中生成两个寄存器,定义寄存器1微结构内水的体积为0,寄存器2其他流体部分水的体积为1,monitors中计算收敛精度直至残差曲线收敛。
4.根据权利要求1所述的基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于所述的(4)导出数据步骤:所述的输出关键点处的速度和压力来反应减阻效果的数据;即设置气液交界面以及模型中间二分之一部分的左右两条线作为数据输出的关键点,在plots中用XY plot方式输出交界面速度等参数,在reports选项中选择surface intergal,类型选择为面加权平均值,输出压力为总压力,得到两条线上的加权平均压力值。
5.根据权利要求2所述的基于数值模拟的不同形貌微结构表面减阻效果的评价方法,其特征在于:所述的微结构尺寸维半圆凹坑状微结构表面其凹槽宽与凸起宽的比值即周期间距A为50:1。
2。