湍流边界层沟槽结构和表面粗糙度影响机理的数值研究

摘要

随着能源危机日益严重，湍流减阻技术逐渐受到了各国的重视，在众多减阻技术中，沟槽面湍流减阻技术作为一种被动控制法，因其简单、易行，减阻效果好，显示出了巨大的应用前景。本文通过数值仿真的手段，研究了沟槽面的减阻机理和特性以及对叶片气动性能的影响。另外，考虑到叶片表面粗糙度会对附近湍流边界层产生不可忽视的影响，本文亦作了相关研究。
　　针对V形槽和梯形槽两种典型沟槽面，本文基于Fluent流体动力学软件，仿真计算了平板沟槽面附近的湍流场。通过改变计算域入口的流量，获得了两种沟槽面的最大减阻率和对应的沟槽无量纲尺寸。在数值计算结果的基础上，对两种沟槽面的减阻性能进行了比较。然后从壁面切应力分布、近壁区流场特征、边界层流动参数等方面分析了沟槽面湍流边晃层流动特性和减阻机理。
　　在平板沟槽面仿真研究的基础上，本文将减阻效果较优的梯形沟槽面应用于rotor37压气机叶片表面上，研究其对叶片气动性能的影响。通过叶片表面沟槽无量纲尺寸的分析，确定了合适的梯形槽尺寸和分布范围，建立了相应的沟槽叶片模型。然后通过仿真计算，验证了将沟槽面应用于航空叶片表面的可行性，并对沟槽叶片压力系数、摩擦系数、出口总压损失等气动参数的变化作了深入的分析。
　　此外，本文建立了单个rotor37叶片的有限元模型，并基于标准k-ε湍流模型和壁面函数法研究了粗糙度分布对叶片气动性能的影响。为了方面研究，将叶片表面分为前、中、后三个区域，并假设其中一区域为粗糙面。然后从叶片等熵效率、总压比、激波位置、尾迹损失等方面分析了叶片表面不同位置粗糙度的影响规律。分析结果表明，叶片前部粗糙度对叶片影响最大，引起的流动损失最严重，中部粗糙度影响次之，后部粗糙度影响最弱。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 沟槽面减阻国内外研究现状

1．2．1 常见的减阻方法

1．2．2 沟槽面减阻研究现状

1．3 非光滑叶片研究现状

1．3．1 顺流向沟槽叶片

1．3．2 横向沟槽叶片

1．3．3 凹坑叶片

1．4 粗糙度对叶片性能影响的研究现状

1．5 本文主要研究内容

2 沟槽面减阻数值模拟研究

2．1 湍流运动数学模型

2．1．1 Navier-stokes方程

2．1．2 k-ε湍流模型

2．2 计算域建立与边界条件设置

2．2．1 计算域建立

2．2．2 计算域网格划分

2．2．3 湍流模型与边界条件

2．3 沟槽面减阻特性

2．3．1 仿真计算结果与误差分析

2．3．2 减阻特性分析

2．4 沟槽面减阻机理

2．4．1 沟槽面壁面切应力

2．4．2 沟槽面附近流场特征

2．4．3 近壁区流动参数变化

2．5 本章小结

3 沟槽面对叶片气动性能影响的研究

3．1 计算域建模与网格划分

3．1．1 叶片选型与建模

3．1．2 叶栅流道网格划分

3．2 沟槽尺寸与计算条件设置

3．2．1 沟槽尺寸的确定

3．2．2 湍流模型与边界条件

3．3 仿真结果与分析

3．3．1 沟槽面对叶片气动参数的影响

3．3．2 叶片边界层内流动参数的变化

3．4 本章小结

4 粗糙度对叶片气动性能影响的研究

4．1 叶片流道模型与边界条件

4．1．1 叶片建模与网格划分

4．1．2 边界条件设置

4．2 粗糙度模型

4．3 仿真结果与分析

4．3．1 粗糙度大小的影响

4．3．2 粗糙度分布的影响

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢