湍流减阻中的沟槽面顶部尖锐度研究
一般而言,在利用沟槽面进行湍流减阻中,其顶部越尖锐,湍流减阻效果往往越好.但尖锐的顶部不利于沟槽面的制造生产,并且容易受到顶部磨损的影响.本研究发现对于所提出的由两个三次多项式函数光滑连接构成的曲面沟槽,尽管其顶部不如具有同样高宽比的三角形沟槽尖锐,但其突出高度却大于三角形沟槽,进而有更高的预估减阻率.同时,该曲面沟槽对于顶部磨损相对不敏感,并且在所考虑的磨损后,其性能优于相应的抛物线型沟槽.利用这类曲面沟槽,我们发现了两种决定突出高度的作用机制,一是在粘性极限的谷曲率,另一个是在沟槽无限深极限的顶部曲率,而相关研究中用到沟槽的突出高度都是由这两种机制共同决定.针对该曲面沟槽,利用直接数值模拟技术对宽度为s+=20和s+=60时的边界层转捩问题进行了数值仿真,发现与无控制下流动相比,s+=20算例不仅在湍流段有与预估相符的7.8％减阻率,并且使转捩得到了推迟,而s+=60算例在湍流段有增阻效果,并且使转捩提前发生.通过对比两个算例中沟槽面的阻力分布以及瞬时流场结构,发现两者高阻力区域和低阻力区域面积基本相同,并且在沟槽顶部反而是减阻算例的阻力系数大,而在沟槽底部减阻算例的阻力系数要远远小于增阻算例,即增阻效果主要来源于沟槽底部的低阻力区.以上研究表明,沟槽顶部过于尖锐而导致的难以加工、易受磨损等问题,可以通过合理的设计沟槽形状得到缓和.
尖锐度、三角形沟槽、直接数值模拟、边界层转捩、曲面沟槽、阻力系数、突出高度、减阻率、数值模拟技术、高宽比
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TB17;TB533.2;U461
2022-07-08（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）
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