[发明专利]平壁表面减阻功能微织构的设计方法

说明书

本发明公开了一种平壁表面减阻功能微织构的设计方法，属于表面织构设计领域。根据气体流速，结合边界层理论，确定壁面剪切应力产生的区域，即黏性底层和对数律层中间的缓冲层。将尺寸进行无量纲化，计算缓冲层厚度，由此确定微织构高度的范围。根据雷诺公式，计算流体从层流转向湍流的临界点，获得微织构的布置区域范围。根据以上两个数据，进行减阻微织构设计，并利用CREO软件建模，通过流场仿真软件FLUENT进行仿真，分析微织构减阻情况，优化其特征参数，实现具有减阻效应的平壁减阻微织构的设计。本发明采用边界层理论，通过对湍流区域的分层和定位，进行微织构参数设计，能够有效缩小减阻微织构的尺寸设计范围，减少仿真量，节约资源成本。

技术领域

本发明涉及一种平壁表面减阻功能微织构的设计方法，可用于改进平板表面的气动性能，减少流动阻力，属于表面织构设计领域。

背景技术

随着全球能源危机的出现，不可再生资源的损耗，减少能源浪费，探索可持续发展已经成为重要的研究课题。由于微纳测量技术的进步，人们逐渐发现，自然界中某些生物表面具有的特别的微纳米结构能够使生物获得一些特殊性能。如荷叶的疏水、自洁性源于其表面的微小凸起结构；鲨鱼在水中的快速游动能力归因于其皮肤表面的顺流向肋条具有减少阻力的功能。研究表明，合理的表面微结构可以减小表面摩擦和剪切应力达到10％。因此，在物体表面加工出微结构形成功能性表面，可以减少物体的风阻、摩阻，提高其气动性能，从而达到增速、增程、节能的目的。

微织构减阻虽然经过了几十年的发展，一些学者总结了一些减阻理论，如突出高度理论，二次涡群理论，空气轴承理论等，但是并没有形成统一的理论解释。虽然减阻微织构表面应用前景广，但是没有具有普遍性的减阻微织构设计方法作为理论支撑，限制了其发展。

目前平壁减阻微织构的设计多采用，数值仿真的方法，但是设计参数没有理论依据，为了确定具有减阻效应的表面微织构，需要仿真的量很大，时间长，成本高，且设计结果并不一定理想。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿真量小，节约成本，适用范围广的平壁的减阻微织构的设计方法。当有气体流过平板表面时，能偶减少阻力，提升气动性能，减少能量损耗。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

步骤1)：对边界层进行划分，根据普朗特的边界层理论，在平壁扰流流动中，在平壁的前部，边界层流动为层流，随着流体沿着平壁继续向前流动，边界层内流动过渡为湍流。将湍流壁面区域划分为粘性底层、缓冲层和对数律层，这部分区域的外部通常被认为是外流区域。本发明的关键就在于在缓冲层布置微小结构，控制湍流；

步骤2)：尺寸无量纲化，将微织构几何形状尺寸进行无量纲化的，无量纲高度：无量纲间距：无量纲宽度：其中y是距离壁面高度，s为相邻微织构间距，t为微织构宽度，ν为运动粘度，v_τ为壁面应力剪切速度，可通过公式获得，其中ρ为流体密度，τ₀为壁面剪切应力：u为来流速度，δ为边界层厚度根据雷诺数确定：在范围，边界层内的流动为层流，边界层厚度为

在范围，边界层内的流动为湍流，边界层厚度为

在区间，边界层内的流动处于过渡状态。无明显边界

式中μ为动力粘度，x为距离入口距离；

步骤3)：计算缓冲层厚度，通常近壁区在y⁺≤100的范围内，其中黏性底层：0≤y⁺≤5，黏性切应力为主导，湍流切应力为零。缓冲区：5≤y⁺≤30，粘性切应力和湍流切应力同时存在。对数律层：30≤y⁺≤100，湍流剪应力占主导，微织构尺寸设计应在缓冲层内；

步骤4)：流速参数确定，根据设计要求，确定来流速度u；