林盛,宋世奇

(大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028)

仿生表面減阻結(jié)構(gòu)具有成本低、容易實(shí)現(xiàn)、效果突出等優(yōu)勢(shì),在諸多減阻技術(shù)中應(yīng)用廣泛,主要應(yīng)用于民用航空、航海運(yùn)輸和石油天然氣管道運(yùn)輸?shù)确矫鎇1-4]。早在20世紀(jì)80年代,NASA蘭利研究中心的Walsh[5-7]首次發(fā)現(xiàn)凹槽棱紋結(jié)構(gòu)對(duì)表面減阻有一定的積極作用,這打破了以往人們認(rèn)為表面越光滑阻力越小的認(rèn)知,從那時(shí)起,國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者一直在仿生表面減阻結(jié)構(gòu)方面開(kāi)展研究,并取得一些顯著成果。叢茜等[8]利用有限體積法對(duì)三角形、扇貝形和刀刃形3種仿生表面溝槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,分析了不同溝槽形狀對(duì)減阻效果的影響。Wu等[9]利用3D顯微鏡和掃描電鏡對(duì)泥鰍的表面皮膚微觀形貌進(jìn)行了觀察和分析,設(shè)計(jì)了仿生泥鰍橫向V形表面微結(jié)構(gòu)并對(duì)表面微結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真模擬,結(jié)果表明在速度為1m/s時(shí)達(dá)到最大減阻率,此外該研究還對(duì)具有不同柔性變形的仿生V形減阻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)柔性體具有良好的自適應(yīng)性,可通過(guò)實(shí)時(shí)變形減小阻力。盧愿[10]利用數(shù)值仿真模擬方法對(duì)不同溝槽尺寸、角度、數(shù)量、間距、形狀下的橫向溝槽減阻效果進(jìn)行研究對(duì)比并通過(guò)研究結(jié)果分析橫向溝槽結(jié)構(gòu)在水中的減阻機(jī)理。Wu等[11]以擅長(zhǎng)土壤挖掘的蟻獅幼體為仿生原型,建立了凸起高度和運(yùn)動(dòng)速度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,設(shè)計(jì)了仿生減阻鏟尖,并通過(guò)田間試驗(yàn)驗(yàn)證了其良好的減阻效果。

近年來(lái)仿生表面減阻結(jié)構(gòu)的研究大多是在單相環(huán)境中開(kāi)展,缺少在多相環(huán)境中的仿生表面減阻結(jié)構(gòu)的研究。本文受天然生物蜆子在泥沙中優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)能力的啟發(fā),根據(jù)蜆子外殼表面的顯微圖像設(shè)計(jì)了3種仿生表面減阻結(jié)構(gòu),并利用CFD數(shù)值模擬方法中的Mixture多相流模型,橫向仿真模擬了仿生表面結(jié)構(gòu)的流動(dòng)特性,得出了在不同兩相流速度下各仿生表面結(jié)構(gòu)的減阻特性。

1 仿生表面減阻結(jié)構(gòu)建模

1.1 天然蜆子的表面結(jié)構(gòu)分析

生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的生命演化與協(xié)同進(jìn)化,造就了適應(yīng)外界環(huán)境的特殊能力,這與生物體表的形貌特征密切相關(guān)。蜆子作為一種典型的雙殼貝類生物,其表面的特殊紋理結(jié)構(gòu)與其在泥沙中優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)能力有著必然聯(lián)系。本文使用基恩士VW-6000動(dòng)態(tài)顯微系統(tǒng),觀察天然蜆子的表面微觀結(jié)構(gòu),測(cè)量其表面幾何參數(shù),圖1為天然蜆子殼的整體圖以及局部顯微圖。從圖中可以清楚看到天然蜆子的外殼表面的紋理結(jié)構(gòu),其中蜆子外殼的中間邊緣部位見(jiàn)圖1(c),呈現(xiàn)規(guī)律的棱紋溝壑結(jié)構(gòu),測(cè)量出天然蜆子殼的棱紋寬度為0.5 mm左右,棱紋之間的溝壑間距為0.2 mm。圖1(d)為天然蜆子殼左側(cè)部位的顯微圖,可以看出,殼的左側(cè)部位由大小相似的結(jié)節(jié)規(guī)律排布而成,呈現(xiàn)棱紋與結(jié)節(jié)相結(jié)合的表面結(jié)構(gòu),其結(jié)節(jié)形狀類似正方形,邊長(zhǎng)約為0.5 mm,棱紋寬度約為0.5 mm,棱紋之間的溝壑間距約為0.2 mm。

圖1 天然蜆子外殼的整體圖像以及局部顯微圖像

1.2 仿生表面減阻結(jié)構(gòu)建模

基于天然蜆子外殼的表面形貌特征分析以及測(cè)量出的表面微結(jié)構(gòu)參數(shù),本文設(shè)計(jì)了3種仿生蜆子外殼表面形貌結(jié)構(gòu),圖2中(a)、(b)、(c)、(d)分別為光滑表面結(jié)構(gòu)、仿生圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)、仿生梯形棱紋表面結(jié)構(gòu)和仿生棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu),光滑表面結(jié)構(gòu)作為對(duì)照模型,所有表面結(jié)構(gòu)的基體長(zhǎng)度為4.4 mm,寬度為4.4 mm,高度為0.5 mm,同時(shí)為了更好地模擬天然蜆子殼的特征,3種仿生表面結(jié)構(gòu)設(shè)置了30°的彎曲角度,仿生表面結(jié)構(gòu)上的圓弧棱紋寬度為0.5 mm,高度為0.25 mm,棱紋之間的溝壑間距為0.2 mm。梯形棱紋的底邊為0.5 mm,頂邊為0.25 mm,高度為0.25 mm,間距為0.2 mm。結(jié)節(jié)的邊長(zhǎng)相等為0.5 mm,高度為0.15 mm,結(jié)節(jié)下方的棱紋高度為0.1 mm,結(jié)節(jié)之間的間距為0.2 mm。

圖2 光滑表面結(jié)構(gòu)和仿生表面結(jié)構(gòu)

2 固液兩相流數(shù)值模擬

2.1 建立橫向仿真模型

本文所用兩相流數(shù)值計(jì)算模型是基于歐拉多相流理論的固液兩相流Mixture模型,該模型多用于兩相或多相均質(zhì)混合模擬,即固體顆粒和水以相同的速度均勻混合,兩相間可以互相貫穿且不存在相間交互面,兩相的體積分?jǐn)?shù)可以在0～1任意取值。以仿生圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)為例,圖3為該結(jié)構(gòu)的橫向數(shù)值仿真模擬,模型外部流體域長(zhǎng)為30 mm,寬為20 mm,高為10 mm,仿生模型的中間部位距離入口為20 mm,左側(cè)為流體入口,右側(cè)為流體出口,由于兩相流各項(xiàng)參數(shù)保持恒定,故選用穩(wěn)態(tài)計(jì)算方式,湍流模型選用k-ε中的RNG模型,該模型考慮了渦流對(duì)湍流的影響,因此可以更為準(zhǔn)確地提供流場(chǎng)數(shù)值解,離散方程的求解算法選用Simplec算法,該算法是對(duì)Simple算法的改進(jìn),與之相比可以加快迭代過(guò)程和提高計(jì)算精度。

(a) Y方向視圖 (b) X方向視圖

2.2 仿生表面結(jié)構(gòu)在不同的兩相流流速下的減阻特性

本文的流體介質(zhì)是由水和沙組成的固液兩相流,其中沙子顆粒體積分?jǐn)?shù)占比為95%,水占比為5%,水和沙均定義為連續(xù)相且保持體積分?jǐn)?shù)恒定,水和沙的物性參數(shù)見(jiàn)表1。本文先后研究了不同兩相流流速下3種仿生表面結(jié)構(gòu)的減阻特性,進(jìn)行數(shù)值仿真的同時(shí)監(jiān)測(cè)在不同流速下仿生表面結(jié)構(gòu)在流向方向上所受到的阻力,根據(jù)式(1)計(jì)算出仿生表面結(jié)構(gòu)的減阻率:

表1 流體材料以及物性參數(shù)

(1)

式中:Fs為光滑表面結(jié)構(gòu)受到的阻力;Fb為仿生表面結(jié)構(gòu)受到的阻力。當(dāng)η為正值時(shí)表現(xiàn)為減阻特性且數(shù)值越大表明減阻效果越佳,η為負(fù)值時(shí)表現(xiàn)為增阻特性。

圖4所示為橫向仿真模型中,3種仿生表面結(jié)構(gòu)在不同的兩相流流速下的減阻率分布。從圖4可以看出,3種仿生表面結(jié)構(gòu)都有減阻特性,在0.5～1 m/s內(nèi),棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)減阻性能最佳,在0.5 m/s時(shí)棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)達(dá)到最大減阻率為6.1%,在1～3 m/s圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)的減阻率最佳,在2 m/s時(shí)最大減阻率為5.9%;在3～4 m/s時(shí)3種仿生表面結(jié)構(gòu)的減阻率都呈現(xiàn)出最低的減阻率,圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)的最低減阻率為1.4%,梯形棱紋表面結(jié)構(gòu)的最低減阻率為0.7%,棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的最低減阻率為2.0%;速度大于3 m/s時(shí),棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的減阻性能要明顯優(yōu)于另外兩種仿生結(jié)構(gòu),最終棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的減阻率穩(wěn)定在4.8%,圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)的減阻率穩(wěn)定在3.4%,梯形棱紋表面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定在2.7%。

圖4 仿生表面結(jié)構(gòu)在不同的兩相流流速下的減阻率(橫向仿真模型)

3 橫向模型中仿生表面結(jié)構(gòu)的減阻機(jī)理分析

在橫向結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模擬中,當(dāng)兩相流流速達(dá)到6 m/s時(shí),3種仿生表面結(jié)構(gòu)都達(dá)到了穩(wěn)定的減阻率,故本文以兩相流流速為6 m/s時(shí)的情況為例,分析3種仿生表面結(jié)構(gòu)的減阻機(jī)理。表2為兩相流流速為6 m/s時(shí)光滑表面結(jié)構(gòu)和仿生表面結(jié)構(gòu)所受阻力對(duì)比。

表2 橫向模擬中光滑表面結(jié)構(gòu)和仿生表面結(jié)構(gòu)所受阻力對(duì)比 N

在黏性阻力方面,3種仿生結(jié)構(gòu)以梯形棱紋結(jié)構(gòu)的黏性阻力最小,圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)次之,棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)因其表面較為復(fù)雜,所以所受黏性阻力與前兩者相比較大。在壓差阻力方面,3種仿生結(jié)構(gòu)的壓差阻力較光滑結(jié)構(gòu)都是增加的,其中又以梯形棱紋表面結(jié)構(gòu)的壓差阻力最大,圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)次之,棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的壓差阻力最小。對(duì)比來(lái)看,仿生表面結(jié)構(gòu)所受阻力中黏性阻力占據(jù)主體地位且3種仿生表面結(jié)構(gòu)都能夠降低表面所受黏性阻力,但都伴隨著壓差阻力的增大,這一點(diǎn)以梯形棱紋表面結(jié)構(gòu)最為明顯,表現(xiàn)出較大的壓差阻力值,而棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出最小的壓差阻力?？傮w來(lái)看,3種仿生結(jié)構(gòu)的壓差阻力的增量明顯小于黏性阻力的減量,所以3種仿生結(jié)構(gòu)都可以表現(xiàn)出減阻的作用,尤其是以棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的減阻效果最為明顯。

仿生表面結(jié)構(gòu)會(huì)因?yàn)榱黧w的黏性作用而受到大小不同的流體剪切應(yīng)力作用,圖5和圖6分別為各結(jié)構(gòu)受到的表面剪切應(yīng)力和表面湍流動(dòng)能云圖,6(a)為光滑表面結(jié)構(gòu)、6(b)為圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)、6(c)為梯形棱紋表面結(jié)構(gòu)、6(d)為棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)。圖7和圖8分別為各結(jié)構(gòu)表面剪切應(yīng)力和表面湍流動(dòng)能,從這些圖中可以看出光滑表面結(jié)構(gòu)受到的表面剪切應(yīng)力和表面湍流動(dòng)能呈現(xiàn)平緩下降趨勢(shì),3種仿生表面結(jié)構(gòu)的表面剪切應(yīng)力和表面湍流動(dòng)能則與其形狀相似,均在仿生表面結(jié)構(gòu)的棱紋頂部出現(xiàn)最大值,最大值略高于光滑表面結(jié)構(gòu),其余部位的剪切應(yīng)力和湍流動(dòng)能均小于光滑表面結(jié)構(gòu)?？傮w對(duì)比來(lái)看,仿生結(jié)構(gòu)表面的平均剪切應(yīng)力與湍流動(dòng)能均低于光滑結(jié)構(gòu)表面,因此也說(shuō)明3種仿生結(jié)構(gòu)表面所受到的黏性阻力要小于光滑結(jié)構(gòu),符合之前得出的3種仿生表面結(jié)構(gòu)能有效減小黏性阻力的結(jié)論。

圖5 仿生表面結(jié)構(gòu)受到的剪切應(yīng)力云圖

圖6 仿生表面結(jié)構(gòu)受到的湍流動(dòng)能云圖

圖7 仿生表面結(jié)構(gòu)受到的剪切應(yīng)力

圖8 仿生表面結(jié)構(gòu)受到的湍流動(dòng)能

4 結(jié)論

(1)在橫向模型中,0.5～1 m/s速度區(qū)間內(nèi),以棱紋結(jié)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的減阻性能最佳,在0.5 m/s的兩相流流速時(shí)減阻率達(dá)到最高,為6.1%;1～3 m/s速度區(qū)間內(nèi),圓弧棱紋表面結(jié)構(gòu)的減阻性能最佳;速度大于3 m/s時(shí),棱紋結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)減阻性能最佳,減阻率穩(wěn)定在4.8%。

(2)本文分析了仿生表面結(jié)構(gòu)在兩相流中壓差阻力和黏性阻力的影響,其中黏性阻力占據(jù)總阻力的主體部分,3種仿生結(jié)構(gòu)的壓差阻力的增量明顯小于黏性阻力的減量,所以3種仿生結(jié)構(gòu)都可以表現(xiàn)出明顯的減阻特性。

(3)本文從仿生表面結(jié)構(gòu)受到的表面剪切應(yīng)力和湍流動(dòng)能兩個(gè)方面,分析了橫向減阻機(jī)理,仿生表面結(jié)構(gòu)可以減小表面受到的剪切應(yīng)力和湍流動(dòng)能,繼而減小結(jié)構(gòu)表面受到的黏性阻力,達(dá)到減阻效果。