论文题目: 空气—旋成钝体界面非光滑减阻的仿生研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 农业机械化工程
作者: 田丽梅
导师: 任露泉
关键词: 仿生,非光滑表面,减阻,旋成钝体模型,风洞试验,数值模拟
文献来源: 吉林大学
发表年度: 2005
论文摘要: 本文将工程仿生学理论与表面非光滑结构减阻的思想应用于以空气为介质的流体介质中,按照旋成钝体仿生非光滑表面的设计原则,以减阻率为试验指标,选用6 因素(非光滑形态、非光滑结构在旋成钝体上的布置位置、排列方式、非光滑单元的直径/宽度、深度/高度、风速),3 水平的正交试验作为考察仿生非光滑表面旋成钝体模型减阻特性的实验方法。本文的一个创新之处在于,模型采用旋成钝体做为非光滑结构的载体,因此,降低其压差阻力的工程意义要大于降低摩擦阻力。只要仿生非光滑形态的高度和深度不超过模型边界层厚度就可以达到控制边界层的目的,加大了非光滑形态的尺寸,非光滑形态的尺寸为毫米级,这样,易于非光滑减阻技术在工程上的实现。对于非光滑表面的减阻机理,根据旋成钝体形成底阻的原因,通过数值模拟和流动显示试验,针对非光滑形态对旋成钝体表面速度、涡量以及边界层动量厚度三个方面的分析,详细的阐述了非光滑表面对于旋成钝体压差阻力和总阻力的减阻机理。这也是本文的另一个创新点。最后,对正交试验优化出的棱纹形的非光滑模型,以总减阻率为试验指标,对非光滑形态在模型尾部布置的具体位置以及棱纹的深度和深宽比,选用二次回归正交组合设计,以计算机为试验平台又进行了进一步的优化设计,得到了关于总减阻率的回归方程。
论文目录:
第1章 绪论
1.1 选题意义
1.2 非光滑表面仿生减阻研究的现状与进展
1.2.1 非光滑表面在土壤介质中的减阻研究
1.2.2 非光滑表面在湍流中的减阻研究
1.2.3 非光滑表面减阻机理的研究现状与进展
1.3 本文研究方法简介
1.3.1 原理性风洞试验研究
1.3.2 数值模拟分析
1.3.3 FLUENT 商业软件性能及原理简介
1.4 本课题的来源及主要研究内容
第2章 旋成钝体仿生非光滑模型表面的设计原则
2.1 引言
2.2 仿生非光滑表面形态选择原则
2.2.1 理论基础
2.2.2 生物非光滑体表几何形态的减阻效应研究
2.3 生物非光滑结构的位置布置原则
2.3.1 旋成钝体与生物在流体介质中的运动比较
2.3.2 旋成钝体的空气动力学特性
2.4 非光滑结构的尺寸选择原则
2.5 本章小结
第3章 仿生非光滑表面旋成钝体模型的低速风洞对比实验
3.1 试验方法及模型的设计
3.1.1 正交试验方案的设计
3.1.2 试验模型的设计
3.2 试验仪器测试分析
3.2.1 试验设备
3.2.2 机械式天平的标定及数据采集
3.2.3 低速风洞模型支架干扰的修正
3.3 试验因素效应分析
3.3.1 非光滑单元形态对减阻特性的影响
3.3.2 非光滑单元的尺寸对减阻特性的影响
3.3.3 非光滑单元在模型上的位置与排列对减阻特性影响
3.4 试验结果统计分析
3.4.1 偏差平方和及显著性检验
3.4.2 最优组合及置信区间
3.5 讨论
3.6 本章小结
第4章 气—固界面系统基本理论及方法
4.1 引言
4.2 基本理论
4.2.1 本构方程(粘性规律的应力张量和变形速度张量之间的关系称为本构方程)
4.2.2 连续性方程
4.2.3 N-S 方程
4.3 湍流方程
4.4 近壁区处理
4.5 有限体积法及SIMPLE 数值方法
4.6 本章小结
第5章 气—固非光滑模型界面三维流场数值模拟
5.1 物理模型的建立
5.1.1 物理模型的建立
5.1.2 计算域的选取
5.2 计算网格的生成
5.3 计算边界条件
5.4 数值模拟结果分析
5.5 非光滑结构对模型流动特性的影响
5.5.1 非光滑结构对模型尾迹及各部分阻力的影响
5.5.2 非光滑结构对模型y 方向上流动特性的影响
5.5.3 非光滑结构对边界层厚度的影响
5.6 本章小结
第6章 气—固非光滑界面的减阻机理
6.1 引言
6.2 边界层近壁区结构及动量交换过程
6.3 棱纹减阻机理
6.3.1 第二涡群理论
6.3.2 突出高度理论
6.3.3 空气轴承理论
6.4 仿生非光滑表面压差阻力及总阻力的减阻机理
6.5 本章小结
第7章 棱纹形仿生非光滑表面减阻率试验优化分析
7.1 引言
7.2 模型总减阻率与试验因素的二次正交回归组合设计
7.3 回归系数的统计分析
7.3.1 四元二次正交回归设计方案
7.3.2 回归系数的计算与统计检验
7.4 本章小结
第8章 结论及展望
8.1 主要结论
8.2 进一步的研究工作展望
参考文献
作者在攻读博士学位期间发表的论文及参与的主要科研项目
致谢
摘要
ABSTRACT
发布时间: 2005-08-26
参考文献
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- [4].旋成体仿生非光滑表面流场控制减阻研究[D]. 张成春.吉林大学2007
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