回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S (文中近似取S =S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S 的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。     

????????????????????????????????

 在条纹沟槽表面减阻的研究发展及其优点的基础上 对条纹沟槽表面减阻进行水洞实验,研究在航行器外表面加工条纹沟槽所具有的阻 力特性. 通过对光体、0.1mmV型条纹沟槽表面和0.2mmV型条纹沟槽表面3 种不同模型在零攻角、不同水流速度下进行阻力测量, 测得条纹沟槽表面减阻特 性曲线. 从特性曲线中可以看出减阻效果约为8.3%. 实验的结果表明, 条纹沟槽 表面能明显降低水下航行器的阻力.     

基于遗传退火算法的鱼雷外形优化设计

将基于实数编码的基本遗传算法与模拟退火算法相结合，建立了数值优化设计中的混合遗传算法。该算法既通过传统遗传算法的“优胜劣汰”操作保留了群体操作中的最优个体，又利用了退火算法的概率突跳性有效避免了问题求解陷入局部最小。本文还把混合遗传算法运用于鱼雷外形优化设计中，优化设计后的鱼雷流体阻力明显减小，压力分布曲线平缓，鱼雷的流体动力性能得到显著改善，表明改进的遗传退火算法运用于鱼雷外形优化设计是很有效的。在优化设计过程中，鱼雷线型由分段解析函数叠加表示，目标函数由二维欧拉方程的流场解提供。     

翼型表面脊状结构减阻特性的数值仿真研究

对翼型表面脊状结构进行了数值仿真研究,初步发现了翼型表面脊状结构的减阻特性,并进一步研究了间隔对于翼型表面脊状结构减阻效果的影响规律。针对翼型表面脊状结构的特点,在数值计算过程中对其计算域、计算网格及流动参数进行了合理的处理。结果表明:脊状结构在翼型表面仍然具有很好的减阻效果,其表面边界层内湍流强度、湍动能明显低于光滑表面;有间隔的脊状结构减阻效果优于无间隔的脊状结构,间隔大小与脊状结构尺寸相当时,减阻效果最佳。     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

PIV水下流场测试系统试验研究

基于粒子图像测速技术,设计研制了一套适用于水洞洞体内高速、封闭试验条件的流场测量与显示设备.该系统由光源、成像、图像处理与分析、控制和粒子投放等分系统组成，具有复杂环境下全流场的无接触、无扰动、高准确度测量和显示能力，流场测试误差小于2%，可为水下航行器外形设计及其改进提供相关的实测数据.     

表面张力对疏水微结构表面减阻的影响

通过构造具有棋盘状微结构的疏水表面,考虑表面张力的影响,利用定常与非定常结合的数值模拟方法,研究了疏水表面在湍流状态下的减阻特性以及微结构内气体封存的效果,其中Re=3000—30000.在低雷诺数下,疏水表面微结构内气体封存状态良好,减阻率最高约为30%;随着雷诺数的增大,压差阻力增大,减阻率有下降趋势.当来流速度过大时,水会大量进入微结构,疏水表面的减阻率变化剧烈,且已经不再减阻.结果表明,表面张力削弱了壁面切应力的影响,使得低雷诺数下微结构内气体能够有效封存,进而减小壁面阻力.     

微结构超疏水表面减阻特性数值研究

通过湍流状态下超疏水表面的数值模拟,研究超疏水表面湍流流动的速度和剪应力分布,分析其与减阻的内在关系,初步总结出微观结构与减阻率之间的基本规律.数值模拟采用非定常雷诺平均模型,气液两相流则采用VOF模型.结果表明:超疏水表面存在滑移流动和周期分布的剪应力,其不仅可以实现减阻也有可能导致增阻;微结构尺寸对减阻率有显著影响,为了尽可能增大减阻率,矩形微结构的深宽比应大于3∶2,且凹槽间距应尽可能小,凹槽宽度应小于200微米.     

脊状表面减阻特性的风洞试验研究

利用热线风速仪，对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。基于测得的边界层速度分布数据，利用对数律区速度分布公式，编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。研究发现，脊状表面最大减阻量达13．5％；有减阻效果的脊状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降；与光滑表面相比，脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小，也表明脊状表面具有减阻效果；位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s^＋的增加呈现先变大后变小的趋势，在S^＋=12时达到最大。