仿鯊魚鰓呼吸過程的流場控制及減阻性能研究.pdf

1、減小水面艦船及水下航行體在航行時所受到的摩擦阻力，對于提高航行體的航速、航程、節(jié)能降耗等方面具有重要意義。為此，人們在湍流邊界層減阻方面進(jìn)行了大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，提出了諸如非光滑表面、柔順壁和超疏水等多種減阻方法，但由于種種原因，至今尚未獲得廣泛的工程應(yīng)用。本文從鯊魚的呼吸過程得到啟發(fā)，將鯊魚呼吸時由外鰓裂向海水中噴出流體的過程簡化為橫流的側(cè)向射流過程，對橫向射流過程研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流速比足夠小時，射流被封閉在邊界層內(nèi)，使得邊界層的厚

2、度增大，繼而達(dá)到減阻效果，由此提出仿鯊魚鰓呼吸過程的射流表面減阻法，該方法是通過改變邊界層的流場形態(tài)來達(dá)到減阻目的的。研究湍流邊界層的流場結(jié)構(gòu)，對于實(shí)現(xiàn)邊界層的流場控制和完善邊界層理論具有重要的理論研究意義。射流減阻在高超聲速飛行器減阻領(lǐng)域研究較多，且獲得了顯著的減阻效果。但相對于高超聲速飛行器減阻而言，水下流場由于有浪涌的存在極為復(fù)雜多變，在高超聲速領(lǐng)域獲得的科研成果在水下流場中是否適用尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。本文圍繞仿鯊魚鰓部呼吸過程的射流

3、流體對邊界層的流場控制及其減阻性能開展了如下研究工作：
　　構(gòu)建仿鯊魚鰓呼吸過程的射流表面模型，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。對白斑星鯊的體表及鰓裂周圍結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測，提取影響鯊魚鰓部呼吸過程的主要因素，由于鯊魚的外鰓裂與周圍的體表近似于在一個平面上，本文將其抽象為帶有射流孔的平板結(jié)構(gòu)，并將鯊魚的呼吸排水過程抽象為連續(xù)的射流過程，建立仿鯊魚鰓呼吸過程的射流表面模型，并對其進(jìn)行數(shù)值模擬，通過經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對

4、比兩種方法驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的有效性。
　　研究仿生射流表面的減阻性能。建立減阻率、節(jié)能率和節(jié)能效率公式，作為衡量仿生射流表面的減阻節(jié)能效果的評價標(biāo)準(zhǔn)。研究射流孔尺寸參數(shù)、射流孔形狀和射流孔個數(shù)在不同流場條件下的減阻性能，結(jié)果表明：射流孔面積相同時，射流孔沿展向的長度與沿流向長度的比值越大減阻效果越好，射流速度越大、射流流量越大減阻效果越好；圓弧形射流孔的減阻效果最好，隨著射流速度的增大，減阻率逐漸增大，當(dāng)圓弧半徑為4mm時減阻效果

5、最好，最大減阻率為9.51％；當(dāng)流速比固定不變時，無論主流場速度和射流速度如何變化減阻率幾乎保持不變，說明流速比是影響減阻效果的主要因素，射流孔個數(shù)越多減阻效果越好。
　　研究射流參數(shù)之間的關(guān)系和各因素對減阻效果的影響規(guī)律。對單孔、雙孔和旋成體射流表面模型的主要射流參數(shù)進(jìn)行正交優(yōu)化數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，單孔射流時影響減阻節(jié)能效果的主次因素分別是射流孔形狀因子和流速比，其中不同水平下的減阻率均值與射流孔形狀因子呈線性關(guān)系，且隨著形狀因

6、子的增大減阻率逐漸增大，而不同水平下的節(jié)能率均值與形狀因子呈拋物線關(guān)系；影響雙孔射流表面減阻效果的主次因素分別是射流孔寬度和射流速度，當(dāng)其它因素固定不變時，減阻率均值與射流孔寬度、射流速度呈近線性關(guān)系；環(huán)形射流旋成體具有明顯減阻、節(jié)能效果，最大節(jié)能效率為262，介于“壁面吹吸”和“智能蒙皮”之間。
　　探討仿生射流表面的減阻機(jī)理。通過數(shù)值模擬方法分析仿生射流表面邊界層內(nèi)的流場形態(tài)，分別得到光滑表面和射流表面的壁面剪應(yīng)力云圖、壓應(yīng)力

7、云圖、速度云圖、同一剖面處的無量綱速度分布曲線以及壁面法線方向的速度梯度分布，通過對比分析提出基于增大湍流核心速度效應(yīng)、基于壁面隔離效應(yīng)、基于增大湍流阻尼效應(yīng)的減阻機(jī)理。通過對射流表面旋成體的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，射流被封鎖在邊界層內(nèi)，從而對旋成體底部流體進(jìn)行補(bǔ)充，從而延緩邊界層的分離使得回流區(qū)的長度增大，表明旋成體的低壓中心相對于無射流時距離后表面的距離增大，即射流表面旋成體的底部靜壓增大，使旋成體前后表面的壓差阻力減小。由此，提出基