湍流降阻应用实例汇总Word文档格式.docx
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图2
CFD模型
表1
三种沟槽表面上网格点数列表
形状
顶角
s
h
沟槽表面
网格总数
沟槽表面积
网格数
三角形
90°
0.1
5x10-2
14
181023
4.53X10-6
扇贝形
-
5X10-2
16
197821
4.95X10-6
刀刃形
-2
5X10
21
240005
-6
6.00X10
在ANSYS中建立的几何模型如图2（a）所示,计算域展向长度为0.8mm,流向长度为4mm,垂向高度为4mm图2（b）~2（f）为离散后的CFD模型,扇贝
形和三角形离散的六面体网格图相似，在此只列出三角形的CFD模型，沟槽表面所划分的网格点数列于表1中，刀刃形沟槽表面形状比较特殊，很难划分六面体网格，只能划分四面体网格。
2.2边界条件
流场分析时认为流场稳定，各参数不随时间变化；
流体为不可压缩流，密度和黏性等物理性质不随时间变化；
不涉及传热问题；
采用各向异性假设。
用有限体积法求解N-S方程，近壁区采用B-L两层湍流模型，远离壁面区采用雷诺应力湍流模型（RSM）,边界条件为光滑表面与沟槽表面施加固壁无滑移条件，即上下壁面X,Y,Z三个方向速度为零，入口处给定质量流率m=0.2kg/s,流向和垂直于流向的方向施加周期边界条件。
计算温度t=20C,流体介质为水，动力黏度卩=0.001Nxs/m2,密度p=998kg/m,运动黏度u=1X10-6m/s,雷诺数Re=6.0x105,雷诺数计算时取过流断面水力直径为特征长度。
3三种仿生非光滑沟槽表面流场分析
3.1剪应力分析
计算结果表明三种沟槽表面剪应力均小于光滑表面，具有减阻效果，但由于沟槽形状的不同减阻效果不同，三角形沟槽减阻效果最差，刀刃形沟槽减阻效果最佳。
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图3沟槽表面应力云图
光滑表面单元平均剪应力为1.2X104N/m2。
由沟槽表面剪应力云图3可以
看出三角形沟槽表面
图4半个沟槽表面节点剪应力随沟槽高度变化曲线图
最大剪应力为1.07X104N/m2,,比光滑表面减小10.8%;
扇贝形沟槽表面最
大剪应力为5.1X103N/m2,比光滑表面减小57.5%;
刀刃形沟槽表面最大剪应力为4.5X103N/m2,比光滑表面减小62.5%。
由图3~4可见三种沟槽表面高应力区出现位置及面积不同，三角形沟槽高应力区起始位置最低并且面积最大，壁面总阻力最大，减阻效果最不明显；
刀刃形沟槽高应力区出现在刀刃尖端非常窄的带形区域内，起始位置最高并且面积最小，壁面阻力最小，减阻效果最好。
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图5三种沟槽表面及光滑表面展向及垂向速度矢量图
3.2速度场分析
图5给出了三角形、扇贝形和刀刃形沟槽表面和光滑表面展向和垂向速度矢
量图，通过对比可见沟槽表面对湍流结构产生影响。
三种沟槽表面流向涡的展向运动都产生分离并生成二次涡，但是二次涡的位置、近壁区流体上冲和下扫运动的强度不同。
Choi曾指出沟槽减阻与否与沟槽面漩涡有很大关系［12］。
三角形沟槽表面二次涡位置最低，壁面受高强度流体上冲和下扫运动强度最大，动量传输最强，故壁面受高应力影响区域的面积最大，由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最小，谷底附近流体受壁面阻碍并且安静流区域面积最小，所以层流底层
厚度最小，壁面总阻力最大，减阻效果最差。
刀刃形沟槽表面二次涡停留在沟槽尖顶附近，位置最高，与壁面相接触的流体运动强度最弱，壁面几乎不受高强度流体上冲和下扫运动影响，壁面流体的动量传输较低，由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最大，谷底附近安静流体的运动比较自由并且区域最大，所以层
流底层厚度最大，整个非光滑表面剪应力最低，总阻力最小，减阻效果最好。
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图6雷诺剪应力曲线图
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3.3雷诺应力分析
由图6雷诺剪应力曲线可知三种沟槽表面的雷诺应力均小于光滑表面。
光滑
表面、三角形、扇贝形和刀刃形沟槽雷诺应力最大值分别为8m2/s2、7.8m2/
s2、7m2/s2和6.2m2/s2。
雷诺应力是横向脉动在剪切场中的体现,横向脉动体现了平均剪切率产生的流向脉动动能的传递。
故三角形沟槽表面附近横向脉
动最大，对流向脉动动能的传递功能最强，流体对壁面的作用力最大，壁面摩擦阻力最大，减阻效果最差；
刀刃形沟槽表面横向脉动最小并且流向脉动动能的传递功能最弱，流体对壁面的作用力最小，壁面总阻力最小，减阻效果最好。
3.4湍流统计分析
图7为光滑表面与三种沟槽涡量曲线图。
由计算结果可知光滑表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量平均值分别为1.5X1051/s、3.8X1061/s和5X
1051/s。
三角形沟槽表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量的最大值分别为1.25
X1051/s、2.5X1061/s和2.0X1061/s;
扇贝形沟槽三个方向涡
量的最大值分别为1.05X1051/s、2.0X1061/s和1.5X1061/s,小于三角形沟槽表面上相应涡量值；
刀刃形沟槽三个方向涡量的最大值分别为1.
0X1051/s、1.8X1061/s和2.4X1061/s,在三种情况下最小。
由
此可见三种沟槽表面流向涡量和展向涡量的最大值小于光滑表面附近相应涡量的最大值，垂向涡量最大值大于光滑表面，即沟槽抑制流向涡的展向运动。
由于三角形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最大，与光滑表面相应涡量值的差距最小，流向和展向涡量被三角形沟槽表面减小的程度最小，故其
对流向涡的展向运动的抑制作用最不明显，对湍流拟序结构的影响程度最差，减阻率最低［13］。
刀刃形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最小，与
光滑表面相应涡量值差距最大，流向和展向涡量值被刀刃形沟槽表面减小的程度最大,故其对流向涡的展向运动的抑制作用及对湍流拟序结构的影响程度最大
减阻率最高。
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