[发明专利]减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法及系统

权利要求书

1.一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，包括：

在同样来流条件和流场环境下，在仅改变壁面形状的情况下分别获取光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力；

根据获取的光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力，以及壁面剪切力与壁面摩擦速度之间对应关系，得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式；

根据对数律区速度曲线的通用公式、已知的光滑壁面湍流边界层对数律区速度曲线公式以及所述以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式，得到减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线。

2.根据权利要求1所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，所述同样来流条件和流场环境包括：来流风速、来流湍流度和垂直于来流平面方向的壁面投影面积，并利用相同的摩擦阻力测量装置测量得到光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力。

3.根据权利要求2所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，利用下式计算减阻壁面的减阻率DR：

其中：

F_S＝τ_SM                    (2)

F_D＝τ_DM                    (3)

式中，F_S和F_D分别为光滑壁面的壁面摩擦阻力和减阻壁面的壁面摩擦阻力，τ_S和τ_D分别为光滑壁面和减阻壁面的壁面剪切力，M为垂直于来流平面方向的壁面投影面积；

根据流体力学理论可知壁面剪切力τ与壁面摩擦速度u_*之间的关系为：

式中，ρ为流体密度；

根据公式(1)、(2)、(3)和(4)得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式：

式中，u_*S表示光滑壁面对应的摩擦速度，u_*D表示减阻壁面对应的摩擦速度。

4.根据权利要求3所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，

所述对数律区速度曲线的通用公式为：

式中，u⁺表示无量纲速度，u⁺＝uu_*，其中u为流体速度；K为冯卡门常数；y⁺为无量纲距离，y⁺＝yu_*v，其中y为流场离壁面的垂直距离，v为流体的运动粘度；A为经验常数；

所述光滑壁面湍流边界层对数律区速度曲线公式为：

式中，K_S为光滑壁面的冯卡门常数，取值为预设值，A_S为光滑壁面的经验常数，取值为预设值。

5.根据权利要求4所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，所述减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线为：

式中，K_D为减阻壁面的冯卡门常数，其值为未知量；A_D为减阻壁面的经验常数，其值为未知量；

根据公式(5)，可得：

由公式(7)(9)可得：

根据公式(8)(10)，可知：

减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线通过以下公式进行计算：

其中，DR为减阻壁面的减阻率。

6.根据权利要求4所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，光滑壁面的冯卡门常数K_S取值为0.4，光滑壁面的经验常数A_S取值为5。

7.根据权利要求2所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，所述减阻壁面为沟槽形状。