仿生射流表面减阻特性及减阻机理研究

论文摘要

利用仿生表面降低物体在流体介质中的运动阻力,已经成为减阻研究领域的一个热点问题。生物经过长期进化获得的外形特征对降低其运动阻力有着重要作用,这已被本领域的研究者所认同,对生物减阻特征的研究正在不断深入和完善。根据仿生学基本原理,以鲨鱼腮部的射流特征为生物原型,研究仿生射流表面减阻技术,对该技术的研究进一步丰富了减阻领域的研究内容,对减阻理论的发展具有理论价值。同时,仿生射流表面减阻技术在水面、水下航行器、管道输送以及航空等领域具有广阔的应用前景,对节约能源及经济发展具有重要意义。在介绍国内外主要减阻技术研究现状基础上,利用仿生学原理并考虑工程实践的可行性,以鲨鱼腮部射流特征为生物原型,通过在平板表面布置圆形射流出口建立仿生射流表面模型。通过对流场的数值仿真计算并与无射流的光滑对照表面进行比较,研究射流出口孔径、射流角度对仿生射流表面模型减阻效果的影响；确定具有最佳减阻效果时的模型结构参数。在确定最佳仿生射流表面模型参数的基础上,研究主流场速度参数对减阻效果的影响；在不同主流场速度条件下研究射流速度与减阻效果的关系；研究不同主流场速度条件下仿生射流表面的节能特性。通过对壁面剪应力、流场静压等流场参数的分析,研究仿生射流表面的减阻机理；研究射流孔径、射流方向及主流场速度对减阻特性的影响机理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 减阻技术的国内外研究现状
• 1.2.1 仿生非光滑表面减阻技术
• 1.2.2 柔性表面减阻技术
• 1.2.3 表面涂层减阻技术
• 1.2.4 微气泡减阻技术
• 1.2.5 聚合物减阻技术
• 1.2.6 大涡破碎减阻技术
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 仿生模型设计及数值计算方法
• 2.1 仿生射流表面的生物原型
• 2.2 仿生射流表面模型的设计
• 2.2.1 模型单元宽度和厚度的选择原则
• 2.2.2 射流方向角和出口孔径的选择原则
• 2.2.3 外界流场速度和射流速度的选择原则
• 2.3 计算域的建立及网格划分
• 2.3.1 计算域的建立
• 2.3.2 网格划分
• 2.4 数值模拟方法
• 2.4.1 控制方程
• 2.4.2 湍流模型
• 2.5 减阻节能的评价方法
• 2.6 本章小结
• 第3章 模型参数对减阻特性的影响研究
• 3.1 不同射流出口孔径仿生模型的减阻特性
• 3.1.1 不同射流出口孔径仿生模型的粘性阻力
• 3.1.2 不同射流出口孔径仿生模型的压差阻力
• 3.1.3 不同射流出口孔径仿生模型的减阻率
• 3.1.4 不同射流出口孔径仿生模型的单位射流流量减阻率
• 3.2 不同射流方向仿生模型的减阻特性
• 3.2.1 不同射流方向仿生模型的粘性阻力
• 3.2.2 不同射流方向仿生模型的压差阻力
• 3.2.3 不同射流方向仿生模型的减阻率
• 3.3 本章小结
• 第4章 主流场速度对减阻节能特性的影响研究
• 4.1 不同主流场速度条件下仿生模型的减阻特性
• 4.1.1 不同主流场速度条件下仿生模型的粘性阻力
• 4.1.2 不同主流场速度条件下仿生模型的压差阻力
• 4.1.3 不同主流场速度条件下仿生模型的减阻率
• 4.1.4 不同主流场速度时减阻率与射流速度关系模型
• 4.2 不同主流场速度条件下仿生模型的节能特性
• 4.3 本章小结
• 第5章 仿生射流表面的减阻机理研究
• 5.1 仿生射流表面的减阻机理
• 5.1.1 阻力分量分析
• 5.1.2 壁面剪应力分析
• 5.1.3 流场静压分析
• 5.1.4 速度场分析
• 5.2 射流出口孔径对减阻效果的影响机理
• 5.2.1 壁面剪应力分析
• 5.2.2 流场静压分析
• 5.2.3 速度场分析
• 5.3 射流角度对减阻效果的影响机理
• 5.3.1 壁面剪应力分析
• 5.3.2 流场静压分析
• 5.3.3 速度场分析
• 5.4 主流场速度对减阻效果的影响机理
• 5.4.1 壁面剪应力分析
• 5.4.2 流场静压分析
• 5.4.3 速度场分析
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢