横向沟槽流场数值模拟及减阻机理分析

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水下武器系统的高速度能确保攻击的出奇制胜,动力和减阻技术是实现高速的关键。减阻技术多种多样,沟槽减阻技术具有简便易行不必额外耗费能量等突出的优点,对水下武器发展具有重大意义。目前大多数沟槽减阻成果是基于对纵向沟槽的研究,鲜少对横向沟槽进行研究。本文运用Fluent数值模拟软件,对不同沟槽尺寸、角度、数量、间距、形状下的横向沟槽减阻效果进行研究,而后通过研究结果分析横向沟槽减阻机理。首先进行数值仿真前处理工作:建立计算域;划分网格并验证网格无关性;选择湍流模型、边界条件及求解方法;确定横向沟槽基础模型等。然后对不同参数下的横向沟槽减阻情况进行数值模拟计算。最后从减阻率、剪应力、速度场、湍动能、涡量等多角度对计算结果进行分析与比较,总结横向沟槽减阻机理。结果表明:(1)相同计算条件下,横向沟槽壁面所受总阻力、剪应力、湍动能、涡量均比光滑平板表面小,横向沟槽结构具有减阻效果。(2)横向沟槽沟槽尺寸、角度、数量、间距、形状分别在s+=21、α=60°、N25、d=0.75s和右锯齿形时获得减阻率最大值。(3)横向沟槽壁面所受剪应力即为摩擦阻力,剪应力随着沟槽尺寸s+、沟槽角度α的增大而增大;随着沟槽数量N、沟槽间距d的增大而减小;在沟槽形状为“V”形时最小,矩形时最大。(4)结合计算结果从减阻率、近壁面速度场、边界层能量等角度分析横向沟槽减阻机理。从减阻率角度阐释减阻率的产生是由于横向沟槽表面较光滑平板表面摩擦阻力减小值与压差阻力增加值之间存在差值;从近壁面速度场角度阐释“突出高度差”理论与“微型空气轴承”理论。从边界层能量角度阐释了横向沟槽表面流体与壁面之间能量消耗较光滑平板表面小,故其所受摩擦阻力更小。
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