基于双向流固耦合的柔性表面仿生减阻研究

摘要

随着科学技术的发展，低碳环保可持续的理念已深入人心，减阻问题对于机械交通工具的能源消耗具有十分重要的意义。包括汽车、飞机和船舶等在内的交通运输工具，其能量消耗主要来源于摩擦阻力，船舶在航行时，摩擦阻力可达到总阻力的70%，汽车在行驶时，其车身外围所受的流场摩擦阻力最高可达到总阻力的80%。该摩擦阻力的产生主要是由湍流产生的。考虑到柔性表面具有减阻降噪的特点，本文选取聚氨酯弹性体作为柔性材料，主要研究柔性聚氨酯弹性体表面在湍流状态下的减阻效果。 本文以海豚表皮为生物原型，将海豚表皮的真皮嵴结构特征提取为：不同流速下，研究柔性聚氨酯弹性体在湍流条件下的减阻效果。以Workbench为背景，采用Transition SST的湍流模型，首先对柔性聚氨酯弹性体光滑平板进行双向流固耦合分析的仿真计算。 通过数值模拟计算得出：与刚性平板相比，柔性聚氨酯弹性体平板在3~20m/s的流速范围内均具有减阻效果，且流速高于10m/s时，减阻率可达到10%以上；随着速度的增大，聚氨酯弹性体较大形变段沿着水流方向移动，从而降低了柔性聚氨酯弹性体表面的摩擦阻力。 然后，通过压差阻力法的循环水槽实验方式对来流速度较低的仿真结果进行验证。所得到的实验结果与数值模拟结果基本一致。 最后，本文结合柔性表面和非光滑沟槽表面的减阻特性，以同样的方式对其进行仿真分析，分析其减阻效果，并与刚性平板作对比。结果表明：柔性非光滑沟槽表面在v=10m/s时也具有减阻效果，但是比柔性光滑的减阻效果差。该数值模拟的计算结果也为柔性耦合的智能化减阻提供一定的参考价值。

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