脊状表面减阻特性的风洞试验研究

第23卷　第5期2008年10月实　验　力　学J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICSVol.23　No.5Oct.2008文章编号:100124888(2008)0520469206脊状表面减阻特性的风洞试验研究刘占一,宋保维3,胡海豹,黄桥高,黄明明(西北工业大学航海学院,西安710072)摘要:利用热线风速仪,对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。

基于测得的边界层速度分布数据,利用对数律区速度分布公式,编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。

研究发现,脊状表面最大减阻量达13.5%;有减阻效果的脊状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降;与光滑表面相比,脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小,也表明脊状表面具有减阻效果;位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s+的增加呈现先变大后变小的趋势,在s+=12时达到最大。

关键词:脊状表面;热线风速仪;摩擦速度;减阻量中图分类号:O357 文献标识码:A0　引言目前的各种湍流减阻方法中,脊状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。

该技术起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究,通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构,来达到很好的减阻效果。

该项技术在国外已投入了实际应用,如空中客车将A320试验机表面的约70%贴上脊状表面薄膜,获得了节油1%～2%的效果;NASA兰利中心在Learjet型飞机上开展的类似飞行试验显示,脊状表面的减阻量约为6%左右。

脊状表面减阻的物理机制在于:脊状表面与顺流向的“反向旋转涡对”作用,产生“二次涡”。

“二次涡”的产生和发展削弱了“反向旋转涡对”的强度,进而抑制了湍流猝发的形成。

脊状表面流场理论研究发现,脊状表面的粘性底层厚度比平板的要厚得多,表明在脊状表面近壁区存在着低速流层,使得边界层外层高速流不直接与壁面接触,而从低速流层上流过,降低了壁面法线方向的速度梯度,从而产生了减阻效果[1,2]。

近些年,为了从微观流动结构方面研究脊状结构的减阻原理,PIV、LDV和热线风速仪等设备越来越多的被应用在减阻研究中。

与以前使用测力天平等设备直接测量阻力不同,这些设备测得的是脊状结构表面流场的特性参数,需要计算出壁面摩擦速度,才能间接给出定量的减阻效果。

Ant hony Ken2 dall等在文献[3]中提出用Musker和Spalding公式求摩擦速度;D.Hoo shmand等在文献[6]中提到用Clauser方法求摩擦速度。

这些方法都要求准确测得包括粘性底层在内的边界层内层速度分布,但是对数律公式仅需要边界层对数律区的速度分布即可。

由于准确测量粘性底层比较困难,因此笔者考虑利用对数律区速度分布公式,通过拟合求摩擦速度。

本文利用热线风速仪测量了五种不同尺寸的脊状结构表面流场,不仅从速度分布、湍流度分布方面3收稿日期:2008203218;修订日期:2008210206基金项目:国家自然科学基金面上项目(10672136);国家自然科学基金重点项目(50835009)资助通讯作者:宋保维(1963-),男,教授,目前主要研究方向:水下航行器设计、制造,流体力学,系统工程理论及其应用,计算机辅助设计与制造,机电一体化与机器人技术等。

E2mail:songbaowei@定性的说明了其减阻效果,还通过对数律区速度分布公式,编程计算出了摩擦速度,从而给出了具体的减阻量。

1　试验设备及方法试验在吸式小型低速风洞中进行。

风洞风速可在0～15m/s 范围内连续变化。

当风洞中心流速为5m/s 时,背景湍流度小于2%。

风洞试验段由有机玻璃制成,截面为400mm ×100mm 的矩形,侧面开有窗口用以更换试验板。

试验采用TSI 公司的热线风速仪测量流场中流速分布及湍流统计平均量,探针使用前要用标定仪进行标定。

试验测试对象为光滑平板以及五块有对称V 型脊状结构的平板,外形尺寸相同,均为400mm ×300mm ×15mm ,材料均为有机玻璃。

脊状结构的峰高h 和槽间距s 相等,即h/s =1。

五种脊状结构尺寸分别为:0.5mm 、0.65mm 、0.8mm 、0.9mm 和1.0mm。

试验中分别测量光滑表面和脊状表面同一位置处垂直方向的平均流速分布。

热线测量的位置选择在风洞宽度方向的中心线上,以尽量减少洞壁干扰,测量位置距离试验板前端L 1=300mm ,距离风洞发展段前端L 2=4300mm (如图1所示)。

试验中利用固定在坐标架上的螺旋机构移动热线探针,最小刻度为0.01mm 。

为了消除螺旋机构的行程误差,测速过程是距离试验板表面由近到远连续进行的。

探针与平板最小距离为0.3mm ,这个距离是靠最小刻度为0.1mm 的工具显微镜确定的。

试验测量了距离试验板表面(脊状表面为脊状结构顶部)0.3mm 到50mm (风洞中心)之间不等距的32个点。

热线采样频率为50000Hz ,采样时间20s ,样本的采样点数为1000000个。

实验的来流速度为5m/s。

2　风洞流场品质标定在来流速度5m/s 的情况下,首先测量了风洞试验段流向方向两个测量位置(1号点和2号点)的边界层平均速度分布、湍流度分布(如图3和图4),其中2号点距离试验板前端100mm ,1号点距离2号074 实　验　力　学 (2008年)第23卷　点100mm 。

由图可见,两个测量位置的边界层平均速度分布、湍流度分布曲线重合度相当高,湍流核心区湍流度低于1%,可证明试验段处流场已充分发展。

试验中,还对2号点边界层平均速度分布进行了3次重复测量,重复测量的误差在2%以内,保证了后面试验的测量精度。

3　结果分析3.1　摩擦速度及虚拟原点的确定根据所查阅的资料,利用流向平均速度分布曲线求摩擦速度和虚拟原点,通常采用粘性底层中的速度点,通过公式y +=u +求得[3]。

但对于此次实验,由于实验条件的限制,最靠近壁面时,探针距壁面尚有0.3mm ,很可能没有达到粘性底层,因此该方法不适于在本次实验中使用。

本实验采用方法如下:对数律区速度分布公式为u +=1γln y ++B [4],γ为卡门常数,取值范围0.41～0.42[5],本实验中取0.41,且不随实验条件变化;B 值随实验条件变化,对于光滑表面,B 值为5.5,对于脊状表面,B 值在5.5上下变化。

u +为无量纲速度,u +=u u 3;y +为离开壁面的无量纲高度,y +=(y -y 0)u 3ν,ν为流体介质(此处为空气)的运动粘性系数,本实验中取1.5×10-5m 2/s ,y 0为虚拟原点的坐标[6],对光滑表面,y 0=0;对脊状表面,坐标原点定义在脊状结构的顶部,因此y 0为负值。

定义函数f (y ,u )=u +-1γln y +-B =u u 3-1γln (y -y 0)u 3ν-B ,在对数律区取若干点(y 1,u 1),(y 2,u 2),(y 3,u 3)…,分别对u 3,y 0,B 在某一范围内以固定步长连续取值,编程计算当∑ni =1f 2(y i ,u i )最小时,u 3,y 0,B 的值即为所求,u 3,y 0,B 所能达到的精度取决于步长的大小。

对数律区范围为(30～70)≤y +,y δ≤0.2,据此估算,本文取点范围为3mm ≤y ≤10mm ,而后面的结果也印证了所取点确实在对数律区。

计算结果如表1所示。

减阻量是通过比较脊状结构表面和光滑表面的壁面剪切力τ得到的,τ=ρu 23。

表1　程序计算结果Tab.1　Result f rom program 光滑表面s =0.5mm s =0.65mm s =0.8mm s =0.9mm s =1.0mm u 3(m/s )0.2280.2120.2180.2160.2220.213B5.56.476.426.465.876.45y 0(mm )0-0.5-0.65-0.8-0.9-1.0减阻量13.5%8.58%10.25% 5.2%12.7% 由公式y +=y u 3ν,五种脊状结构中,y =3mm 时对应最小的y +=3×10-3×0.2121.5×10-5=42.4>30,而从边界层速度分布得出边界层厚度为50mm ,可见3mm ≤y ≤10mm 的范围在对数律区。

从计算结果来看,虚拟原点的位置均在脊状结构的最底部。

实验所用的几种脊状表面摩擦速度相比光滑表面均有不同程度的减小,而截距值,即B 值相比光滑表面均有不同程度的增加,这些都说明脊状表面具有减阻效果。

通过比较壁面剪切力,实验得到的最大减阻量为13.5%。

3.2　流向平均速度曲线图5给出了5m/s 风速下光滑表面和脊状表面边界层内层的流向平均速度分布。

横轴表示距表面的垂直距离,纵轴表示流向平均速度,且均进行了无量纲化处理,y +=y u 3ν,u +=u u 3。

从图中可见,脊状表面的速度分布曲线相比光滑表面有明显上移,反映出脊状表面具有一定的减阻效果。

174第5期 刘占一等:脊状表面减阻特性的风洞试验研究3.3　湍流强度曲线图6给出了5m/s 风速下光滑表面和脊状表面边界层内层湍流强度分布曲线。

由图可见,脊状表面的湍流强度在整个边界层内层范围相比光滑表面都有了明显的降低,在y +<30的近壁区降低尤为明显。

湍流强度的降低说明脊状结构的存在,能使近壁区流体流动趋于安静,速度梯度减小,从而实现减阻。

3.4　位移厚度和动量损失厚度位移厚度δ1利用公式δ1=∫∞01-u U d y 计算,动量损失厚度δ2利用公式δ2=∫∞0u U1-u U d y 计算,其中u 为当地时均速度;U 为边界层以外的流速,在此即风洞中心流速。

位移厚度和动量损失厚度分别表示的是通过的流体流量的减少程度和通过的流体动量的减少程度,如果脊状表面有减阻发生,则位移厚度和动量损失厚度相比光滑表面均应该减小。

计算结果如表2。

表2　光滑表面和脊状表面位移厚度和动量损失厚度计算结果Tab.2　Result about displacement thickness and momentum thickness of smooth and riblet surface 光滑表面s =0.5mm s =0.65mm s =0.8mm s =0.9mm s =1.0mm δ1(mm )6.0955 5.3621 5.2121 5.0690 5.2512 5.2759δ1减少量12.03%14.49%16.84%13.85%13.44%δ2(mm )4.6695 4.1336 4.0128 3.9177 4.0277 4.0789δ2减少量11.47%14.06%16.1%13.74%12.65% 结果反映出位移厚度和动量损失厚度的减少量都在10%以上,表明脊状表面具有减阻效果。