灌溉输水管道沟槽减阻研究

【目的】探索沟槽结构对灌溉输水管道的减阻作用。【方法】采用SA与RNG k-?湍流模型,模拟分析了沟槽在湍流流动中的减阻效果,并与Bechert的试验结果进行了对比;采用RNG k-?湍流模型对灌溉输水管道开展了0.1~1 mm尺度下的V形沟槽减阻研究;采用LES湍流模型对沟槽减阻机理进行了探索。【结果】(1)相较于SA湍流模型,RNG k-?湍流模型的计算结果与Bechert的试验结果相比误差更小,为4.6%,即RNG k-?湍流模型计算精确度更高;(2)夹角为60°的V形沟槽,当沟槽边长为0.5 mm时对灌溉输水管道具有最佳减阻效果,减阻率为7.17%,对应无量纲沟槽间距s+=15.2,无量纲沟槽尺寸lg+=10;(3)沟槽中存在很小的涡旋,这些小涡旋可能是沟槽在湍流中具有减阻作用的原因之一。【结论】夹角为60°的V形沟槽对灌溉输水管道的最佳减阻效果为7.17%。

V型沟槽减阻的实验研究

为了研究不同形状沟槽的阻力特性,利用PIV技术对零压力梯度下的V形和光滑平板湍流边界层进行对比测量。考察了在相同的来流速度下同一位置的平均速度分布、壁面切应力,并利用动量损失法计算得到了沟槽板和光滑平板局部阻力系数。分析结果表明:V形沟槽能增加黏性底层的厚度,减小壁面切应力,有减阻效果。

基于PHOENICS的长输管道沟槽减阻数值模拟

通过对湍流微分方程采用有限容积积分法进行离散化处理,对离散后的代数方程采用SIMPLEST算法实施计算求解,利用PHOENICS软件数值模拟了V形沟槽尖峰对湍流边界层特性的影响。模拟结果认为,沟槽的尺寸大小可能不是影响沟槽表面阻力的主要因素,而真正影响沟槽表面阻力的因素是无量纲化之后的槽间距s+,在相同的流动条件下,沟槽处的速度减小,壁面剪切力也随之减小。

壁面沟槽减阻数值模拟研究

针对壁面流动问题,在PHOENICS 3.6软件平台上,采用RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层速度分布和粘性阻力,研究了不同雷诺数对V型沟槽减阻效果、湍流边界层内的速度分布以及沟槽壁面切应力的影响,结果表明,对于一种尺寸的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,证明了沟槽具有削弱湍流湍动的功能。

粒子图像测速仪沟槽减阻特性的试验

利用粒子图像测速仪(PIV)技术,研究了光滑平板中顺流向嵌入V形和梯形沟槽板对湍流边界层的平均速度、壁面切应力分布及阻力特性等的影响。对零压力梯度下的V形、梯形沟槽和光滑平板湍流边界层进行了对比测量。考察了在相同的来流速度下同一位置的平均速度、壁面切应力,并分别利用动量损失法和Ludwieg&Tillman经验公式法计算了沟槽板和光滑平板局部阻力系数。试验结果表明,沟槽能增加粘性底层的厚度,减小壁面切应力,减阻效果明显。

长输管道中V形沟槽减阻效果的试验研究

为了研究长输管道中V形沟槽的减阻效果,利用PIV试验技术,研究了光滑平板中顺流向嵌入V形沟槽对湍流边界层的平均速度、壁面剪应力分布及阻力特性等的影响,得到了沟槽板和光滑平板局部阻力系数。将试验结果与数值模拟结果对比,验证了数值模拟方法的可行性。结果表明,V形沟槽能增加粘性底层的厚度,减小壁面切应力,有减阻效果,且沟槽无量纲间距s+不应大于15。

基于非光滑表面的沟槽减阻数值仿真研究

采用雷诺时均方程法spaIarc-Allmaras模型计算方法，对具有V型沟槽表面的边界层流动进行数值仿真，研究速度对沟槽减阻效果的影响，并与WALSH等人的实验进行结果对比，结果表明，在一定速度范围内，沟槽表面具有一定的减阻效果，并且最大减阻率可达11．03％，通过数值仿真分析结果与实验对比发现，在高速情况下，仿真结果与实验结果存在一定的误差，本文数值模拟结果可供读者参考。

减阻沟槽表面近壁湍流相干运动的实验研究

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维激光多普勒测速系统(laser doppler velocimetry,LDV),获得零压力梯度时光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流向和壁法向的湍流脉动分量.考察了沟槽对速度脉动的二阶及三阶相关统计参数的影响,并将这些相关量的变化情况与边界层中的相干运动相结合,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律.

减阻沟槽表面对湍流边界层高阶矩特性的影响

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维LDV系统获得光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流动参数。通过象限分析法深入研究减阻沟槽表面湍流边界层中雷诺切应力的变化情况,着重考察沟槽面对湍流边界层高阶统计参数的影响,并将高阶统计参量同湍流边界层相干运动规律结合起来,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律。结果表明,沟槽的存在抑制了整个近壁区低速条带的喷射运动,降低了y+<15区域内高速流体的下扫强度;雷诺切应力以及湍动能的法向输运主要是由喷射和下扫这两种运动来完成的,沟槽的存在削弱了雷诺切应力及湍动能的法向输运水平;沟槽的存在减小了y+<13区域内的流向速度脉动的偏斜因子与y+<3区域内流向速度脉动的平坦因子。

鲨鱼皮减阻结构的几何建模与数值分析

鲨鱼体表布满了盾鳞,盾鳞上的肋条状突起使鲨鱼皮成为一种沟槽型非光滑表面,沟槽结构具有极好的减阻效果,探究该结构的表面特征,将其应用于流体中工作的器械表面可达到很好的减阻节能效果。这种非光滑表面的横、纵截面轮廓曲线是决定其结构的主要因素,首先对这两条曲线进行曲线拟合,接着利用曲面重构原理对此沟槽结构进行数学建模,然后利用流体动力学分析软件对所重构的表面进行减阻效果的数值仿真,并从剪应力、应变、速度递减规律三个角度分析实验结果。分析结果显示:构建的新模型在以上三个角度的分析比较中均不同程度地显示出较好的减阻效果。研究结果可为沟槽减阻结构的设计提供理论依据,为研究和开发高效的仿生减阻表面提供参考。

基于神经网络的减阻沟槽壁面形状优化

针对沟槽外形减阻问题,采用基于神经网络的方法对沟槽壁面形状进行外形优化。模型采用槽道流动模型,控制方程为黏性不可压缩Navier⁃Stokes(NS)方程,流动求解采用直接数值模拟(DNS)方法,对于对流项的离散采用紧致4阶中心格式,对黏性项的离散采用4阶中心格式,时间推进采用3阶Runge⁃Kutta格式。在神经网络优化过程中,约束方程为不可压NS方程,采用基于在线学习的自适应控制器,使用基于抑制展向切应力的控制律,控制量的产生由壁面变形提供。优化结果表明,壁面最大减阻效果可达17.41%。对于优化后的壁面,湍流强度降低了19.68%,同时壁面的涡量与雷诺切应力亦有所降低。由于湍流流动非定常,因此优化得到的壁面形状亦是时变的,但变化的过程中整体上仍呈现流向沟槽的形状。