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旋成体仿生非光滑表面流场控制减阻研究

作　者: 张成春
导　师: 任露泉
学　校: 吉林大学
专　业: 农业机械化工程
关键词: 仿生非光滑表面减阻流场控制风洞试验数值模拟
分类号: TB126
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 638次
引　用: 8次
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内容摘要

基于工程仿生学研究的基本方法,利用理论分析、风洞试验和数值模拟对旋成体仿生非光滑表面流场控制减阻进行了研究。1)基于边界层理论和最优化方法,对生物表面信息进行简化、抽象,并结合工程实际建立了仿生非光滑表面的基本物理模型。2)运用现代试验优化理论与方法,对仿生非光滑表面进行了优化分析,得到了亚、跨音速下圆头旋成体和超音速下尖头旋成体的最优减阻表面,并通过试验分析证实仿生非光滑表面与生物非光滑表面一样具有多样性,避免了工程中使用单一非光滑形态减阻的限制。3)通过对仿生非光滑旋成体流场的数值模拟,阐述了仿生非光滑表面对旋成体边界层流场的控制行为,并结合风洞试验揭示了棱纹表面及凹坑表面的减阻机理。4)在凹坑表面用于复杂旋成体减阻研究的基础上,肯定仿生非光滑表面用于工程实际的可能性,提出更易于工程实现的凹环表面,并通过风洞试验及数值模拟,证实了减阻效果,分析了减阻原因。

全文目录

提要  5-10
第一章绪论  10-26
  1.1 研究的背景和意义  10-11
  1.2 旋成体气动阻力形成原因及其组成  11-14
    1.2.1 气动阻力产生的原因  11-13
    1.2.2 旋成体气动阻力的组成  13-14
  1.3 减阻技术的研究现状  14-24
    1.3.1 减阻技术分类  14-16
    1.3.2 流场控制减阻方法  16-18
    1.3.3 非光滑表面减阻方法综述  18-24
    1.3.4 仿生非光滑减阻方法用于旋成体减阻的原因  24
  1.4 本文的主要研究内容  24-26
第二章仿生非光滑表面模型设计  26-40
  2.1 仿生非光滑的概念  26-27
  2.2 仿生非光滑表面的生物原型  27-31
    2.2.1 植物表面  27-28
    2.2.2 动物表面  28-31
  2.3 仿生非光滑表面的物理模型  31-38
    2.3.1 湍流边界层的拟序结构  32-35
    2.3.2 仿生非光滑单元体形态及尺寸设计  35-38
  2.4 本章小结  38-40
第三章风洞试验及数值模拟方法  40-60
  3.1 风洞试验  40-46
    3.1.1 风洞概况  41
    3.1.2 天平测试系统  41-42
    3.1.3 数据处理方式  42-43
    3.1.4 试验均方根误差  43-44
    3.1.5 试验模型设计与加工  44-46
  3.2 数值模拟方法  46-58
    3.2.1 模拟方法的选择  47-48
    3.2.2 雷诺平均法的控制方程  48-49
    3.2.3 湍流模型的选择  49-53
    3.2.4 基于有限体积法的控制方程的离散  53-56
    3.2.5 流场数值解法的选择  56-57
    3.2.6 边界条件  57-58
  3.3 本章小结  58-60
第四章圆头旋成体仿生非光滑表面参数正交试验优化  60-72
  4.1 圆头旋成体模型主要尺寸及材料  60
  4.2 圆头旋成体非光滑表面减阻正交试验设计  60-64
    4.2.1 试验因素及水平  61-63
    4.2.2 选择正交表并编制试验方案  63-64
    4.2.3 仿生非光滑模型与光滑模型尺寸对比  64
  4.3 风洞测力试验  64-65
  4.4 试验结果分析  65-71
    4.4.1 减阻特性分析  65-66
    4.4.2 正交试验设计分析  66-71
  4.5 本章小结  71-72
第五章尖头旋成体凹坑表面尺寸参数及位置对其减阻特性的影响  72-97
  5.1 尖头旋成体模型主要尺寸及材料  72
  5.2 凹坑置于尖头旋成体前部试验  72-76
    5.2.1 尖头旋成体前部凹坑正交试验设计  72-74
    5.2.2 尖头旋成体前部凹坑对各阻力单元的影响  74-75
    5.2.3 正交试验分析  75-76
  5.3 凹坑置于旋成体后部减阻的二次回归优化  76-91
    5.3.1 二次旋转设计方案  77-79
    5.3.2 风洞测力试验  79
    5.3.3 减阻特性分析  79-83
    5.3.4 二次旋转设计分析  83-91
  5.4 前部与后部均布置凹坑试验  91-93
    5.4.1 试验方案  91-92
    5.4.2 凹坑表面对阻力影响分析  92-93
  5.5 同一模型减阻率随马赫变化试验  93-96
    5.5.1 试验方案  93-94
    5.5.2 减阻特性分析  94-96
  5.6 小结  96-97
第六章旋成体仿生非光滑表面流场数值模拟分析  97-115
  6.1 仿生非光滑旋成体模型的建立  97-99
    6.1.1 圆头旋成体  97-98
    6.1.2 尖头旋成体  98-99
  6.2 计算区域的离散化  99-102
    6.2.1 计算区域的选择  99
    6.2.2 计算网格的划分  99-100
    6.2.3 边界层网格的处理措施  100-102
  6.3 边界条件  102-103
  6.4 计算方法和计算精度的验证  103-104
    6.4.1 保证计算精度的措施  103-104
    6.4.2 计算结果与试验结果的偏差  104
  6.5 仿生非光滑表面减阻特性  104
  6.6 仿生非光滑表面减阻机理分析  104-113
    6.6.1 仿生非光滑表面减小摩擦阻力的原因  104-108
    6.6.2 仿生非光滑表面对压差阻力的影响  108-110
    6.6.3 仿生非光滑表面对边界层的控制行为分析  110-113
  6.7 本章小结  113-115
第七章旋成体基体外形对非光滑表面减阻效果的影响  115-127
  7.1 复杂外形旋成体仿生凹坑表面减阻试验研究  115-119
    7.1.1 复杂外形旋成体模型的基本尺寸  115
    7.1.2 仿生凹坑表面均匀试验设计  115-117
    7.1.3 试验结果  117-119
  7.2 仿生凹环表面用于复杂外形旋成体减阻试验研究  119-122
    7.2.1 仿生凹环表面均匀试验设计  119-120
    7.2.2 仿生凹环表面减阻特性分析  120-121
    7.2.3 仿生凹环表面均匀设计结果分析  121-122
  7.3 仿生凹环表面流场数值模拟分析  122-125
    7.3.1 仿生凹环表面尺寸  122
    7.3.2 计算网格及边界条件  122-123
    7.3.3 计算结果  123
    7.3.4 减阻原因分析  123-125
  7.4 仿生非光滑表面工程应用需注意的问题  125
  7.5 本章小结  125-127
第八章总结与展望  127-131
  8.1 全文工作总结  127-129
  8.2 本文主要创新点  129
  8.3 展望  129-131
参考文献  131-140
攻读博士学位期间发表的论文及其它科研成果  140-142
致谢  142-143
摘要  143-146
ABSTRACT  146-149

旋成体仿生非光滑表面流场控制减阻研究

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