[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

说明书

本发明公开了一种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，方法包括：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，该方法简单快捷，可用于分析减阻壁面的流场运动以及壁面摩擦阻力减小的原因。

技术领域

本发明涉及流体力学技术领域，具体涉及一种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。

背景技术

湍流边界层是流体力学领域的重要研究对象之一，其广泛存在于各种流动现象中。壁面湍流边界层可分为黏性底层区、过渡区、对数律区、外层区等若干个具有不同流动特征的区域，其中对数律区处于湍流边界层的壁面区，流动处于完全湍流状态，是分析研究湍流运动的重点。

湍流边界层中由于流体流动而引起的壁面摩擦阻力是造成流体机械能量消耗的主要原因之一，目前研究人员已提出多种类型的减阻壁面用于减小壁面摩擦阻力。准确获得减阻壁面湍流边界层对数律区的速度分布能够有效分析壁面摩擦阻力减小的原因，对于流体机械的减阻增效具有重要意义。

光滑壁面对数律区的速度曲线已经过大量的实验和计算验证，可以通过固定的经验公式来表示。减阻壁面由于其壁面形状各异，对数律区的速度曲线一般需要通过流场测量装置进行测量得到，流场测量的流程复杂，测量成本高。

发明内容

因此，本发明为了解决现有技术存在问题，提供一种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，可以简单快捷的确定减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线，用于分析减阻壁面的流场运动以及壁面摩擦阻力减小的原因。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，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。

进一步地，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。

进一步地，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：