沟槽面湍流边界层减阻的数值研究

论文摘要

沟槽面湍流边界层减阻是一种较为有效的湍流减阻方法。沟槽减阻技术有着很长的研究历史,与其它湍流减阻方法相比,利用沟槽法减阻具有很大的优越性:它成本低、简单易实现,只通过表面粘贴或直接加工即可,并且其性能稳定不易受周围环境和温度的影响,也不需要另外增加辅助设备。目前该减阻技术已经被应用到航天、航空、管道运输以及体育竞技等诸多领域,特别对船舶与水下航下器减阻的研究提供了一个经济有效的新途径。本文综述了国内外沟槽面减阻技术的研究进展及现状,在湍流产生机理及近壁区湍流结构模型分析的基础上,从“第二涡群”和“突出高度”理论两个观点分别阐述了沟槽面减阻的机理。论文采用计算流体动力学软件FLUENT对沟槽面平板和水下航行器进行了湍流边界层流动的数值模拟,进而对沟槽面减阻特性展开了深入细致的研究;通过改变沟槽的形状、尺寸等方面对影响沟槽面湍流边界层减阻特性的各种因素进行详细的探讨。首先对顺流向的V形沟槽面平板进行建模,确定网格划分原则以及边界条件,采用雷诺应力湍流模型计算沟槽表面和光滑表面的阻力特性;在数值计算结果的基础上,分别从速度场、涡量、剪切应力、湍流耗散率等方面对平板表面近壁区湍流流场的流动特性进行分析论述。为了验证阻力特性模拟计算的准确性,将模拟值与普朗特公式理论计算值以及Bechert试验值进行了对比,比较结果十分吻合。最后,从沟槽形状、尺寸等方面对影响沟槽面减阻特性的因素进行探讨。在沟槽面平板减阻研究的基础上,论文又对沟槽面水下航行器减阻进行了数值研究,针对垂直于流向的等边V形沟槽表面的阻力性能进行了模拟计算,分别从雷诺数及沟槽在航行器表面分布位置对沟槽面水下航行器的优化设计进行了分析。论文所完成的有关沟槽表面湍流边界层减阻的机理分析以及数值模拟计算,对将来进一步深入开展该领域的研究工作具有重要的参考和指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 论文研究的目的及意义
• 1.2 湍流边界层减阻的主要方法
• 1.3 国内外沟槽减阻技术的研究进展及现状
• 1.4 论文主要工作
• 第2章 数值模拟软件的介绍与应用
• 2.1 前处理软件GAMBIT
• 2.2 计算流体力学软件FLUENT简介
• 2.2.1 概述
• 2.2.2 FLUENT常用湍流模型
• 2.2.3 离散化概述
• 2.2.4 流场计算方法
• 2.3 本章小结
• 第3章 沟槽面湍流边界层减阻的机理
• 3.1 湍流结构模型
• 3.2 近壁面湍流猝发特性
• 3.3 沟槽减阻机理
• 3.3.1 第二涡群理论
• 3.3.2 突出高度理论
• 3.4 本章小结
• 第4章 沟槽面平板减阻的数值计算
• 4.1 模型的建立
• 4.1.1 沟槽面的结构形态
• 4.1.2 计算域的建立
• 4.1.3 网格的划分
• 4.2 控制方程的建立
• 4.3 湍流模型的选择
• 4.4 雷诺应力方程模型
• 4.5 近壁面湍流模型的修正方法
• 4.6 边界条件和初始条件
• 4.7 数值计算结果与分析
• 4.7.1 数值模拟与理论方法计算结果的比较
• 4.7.2 沟槽面平板的减阻特性
• 4.7.3 沟槽表面流场分析
• 4.8 本章小结
• 第5章 影响沟槽面湍流减阻因素的探讨
• 5.1 沟槽形状对减阻特性的影响
• 5.2 沟槽几何尺寸对减阻性能的影响
• 5.2.1 沟槽顶角
• 5.2.2 沟槽间距
• 5.3 本章小结
• 第6章 水下航行器沟槽减阻特性数值计算
• 6.1 概述
• 6.2 沟槽面水下航行器模型的建立
• 6.2.1 水下航行器的物理模型
• 6.2.2 航行器表面沟槽几何形态及分布
• 6.2.3 计算区域
• 6.2.4 计算网格的划分
• 6.2.5 计算边界条件
• 6.3 数值模拟结果及分析
• 6.3.1 计算结果
• 6.3.2 沟槽面结构对水下航行器减阻特性的影响
• 6.4 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