[发明专利]一种动静腔流动微沟槽减阻设计方法

说明书

本发明涉及一种动静腔流动微沟槽减阻设计方法。考虑动盘近壁区周向和径向流动，建立了微沟槽的空间型线方程组。首先，给定动静腔工作参数，采用数值方法求解该方程组，得到微沟槽的空间型线。然后，选取微沟槽横截面形状，设计微沟槽横截面高度和弧长，选取微沟槽数量。最后，结合微沟槽空间型线、横截面几何参数和数量，在动盘上加工出微沟槽。本发明通过在动盘上加工微沟槽达到减阻目的。

技术领域

本发明涉及旋转机械动静腔流动减阻领域，尤其是一种动静腔流动微沟槽减阻设计方法。

背景技术

动静腔是指旋转圆盘与静止圆盘之间的流动区域，如图1所示，既是一个经典的流体力学研究对象，又是一个广泛存在于石油化工、水利水电、海洋工程、航天动力、核电装备等领域旋转机械中的工程问题。在大多旋转机械中，动静腔是不可避免的形成的，动盘与腔内流体的摩擦功率属于能量损失，减小动盘转动阻力(即减小壁面周向切应力)是实现旋转机械节能降耗的一个重要途径。

在平板流动中，仿鲨鱼皮微沟槽减阻机理可以总结为：(1)粘性底层和缓冲层的厚度增大，对数律区抬升，近壁区平均速度梯度减小；(2)流向沟槽限制了流向涡的展向运动等，湍流猝发强度、雷诺应力等统计量减弱。由于平板上主流是直线型，因而沟槽设计成直线流向型，不需要设计成曲线型。根据微沟槽减阻理论，在动静腔中实施微沟槽减阻策略。显然，动静腔流动中的微沟槽不能设计成平板流动中的直线型。这是因为动盘壁面对流体的剪切作用、腔体对流体的约束等，动盘近壁区流动方向为周向和径向，其流线是曲线型的。因此，为达到良好的减阻效果，动盘壁面上的沟槽应该设计成曲线型的，但该曲线设计方法较缺乏。

发明内容

本发明的目的就是针对上述存在的问题，提供一种动静腔流动微沟槽减阻设计方法。

本发明的目的是这样实现的，一种新的微沟槽减阻设计方法，分为以下步骤：

S1、考虑动盘近壁区周向和径向流动，设计微沟槽空间型线。

动盘近壁区流体径向速度：

C_r＝1.18·(10^-5·Rer+2)^-0.49 (2)

v_r是流体径向速度，单位m/s，径向坐标是流体径向速度的自变量；C_r是动盘径向速度系数；r是径向坐标，单位m；υ是流体运动粘度，m²/s；ω是动盘角速度，单位rad/s；K是携卷系数，流体周向速度与动盘周向速度之比；z是轴向坐标，单位m，以动盘表面为基准；δ_r动盘边界层厚度，单位m；Re_r是雷诺数；C_qr是径向流量系数；Q是动静腔通流量，单位m³/s。

给定动盘转速ω和通流量Q；选取边界层高度系数的值，取值范围是采用数值方法求解式(1)-(6)，计算出[Rs₁,Rs₂]区间内的径向速度分布。Rs₁为微沟槽前缘半径，单位m，取值范围是0≤Rs₁≤0.9·R，R是动盘半径，单位m；Rs₂为微沟槽尾缘半径，单位m，与动盘半径R相等，即Rs₂＝R。

流体角速度：

是角速度，单位rad/s，径向坐标是流体角速度的自变量。给定动盘转速ω和通流量Q，采用数值方法求解式(3)、(5)、(6)、(7)，计算出[Rs₁,R]区间内的角速度分布。