蜆子外殼仿生表面減阻結構的設計與分析

林盛,宋世奇

(大連交通大學 機械工程學院,遼寧 大連 116028)

仿生表面減阻結構具有成本低、容易實現、效果突出等優勢,在諸多減阻技術中應用廣泛,主要應用于民用航空、航海運輸和石油天然氣管道運輸等方面[1-4]。早在20世紀80年代,NASA蘭利研究中心的Walsh[5-7]首次發現凹槽棱紋結構對表面減阻有一定的積極作用,這打破了以往人們認為表面越光滑阻力越小的認知,從那時起,國內外相關學者一直在仿生表面減阻結構方面開展研究,并取得一些顯著成果。叢茜等[8]利用有限體積法對三角形、扇貝形和刀刃形3種仿生表面溝槽結構進行了數值計算,分析了不同溝槽形狀對減阻效果的影響。Wu等[9]利用3D顯微鏡和掃描電鏡對泥鰍的表面皮膚微觀形貌進行了觀察和分析,設計了仿生泥鰍橫向V形表面微結構并對表面微結構進行仿真模擬,結果表明在速度為1m/s時達到最大減阻率,此外該研究還對具有不同柔性變形的仿生V形減阻結構進行了仿真數值分析,發現柔性體具有良好的自適應性,可通過實時變形減小阻力。盧愿[10]利用數值仿真模擬方法對不同溝槽尺寸、角度、數量、間距、形狀下的橫向溝槽減阻效果進行研究對比并通過研究結果分析橫向溝槽結構在水中的減阻機理。Wu等[11]以擅長土壤挖掘的蟻獅幼體為仿生原型,建立了凸起高度和運動速度之間的數學關系,設計了仿生減阻鏟尖,并通過田間試驗驗證了其良好的減阻效果。

近年來仿生表面減阻結構的研究大多是在單相環境中開展,缺少在多相環境中的仿生表面減阻結構的研究。本文受天然生物蜆子在泥沙中優異的運動能力的啟發,根據蜆子外殼表面的顯微圖像設計了3種仿生表面減阻結構,并利用CFD數值模擬方法中的Mixture多相流模型,橫向仿真模擬了仿生表面結構的流動特性,得出了在不同兩相流速度下各仿生表面結構的減阻特性。

1 仿生表面減阻結構建模

1.1 天然蜆子的表面結構分析

生物經過億萬年的生命演化與協同進化,造就了適應外界環境的特殊能力,這與生物體表的形貌特征密切相關。蜆子作為一種典型的雙殼貝類生物,其表面的特殊紋理結構與其在泥沙中優異的運動能力有著必然聯系。本文使用基恩士VW-6000動態顯微系統,觀察天然蜆子的表面微觀結構,測量其表面幾何參數,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構,其中蜆子外殼的中間邊緣部位見圖1(c),呈現規律的棱紋溝壑結構,測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)為天然蜆子殼左側部位的顯微圖,可以看出,殼的左側部位由大小相似的結節規律排布而成,呈現棱紋與結節相結合的表面結構,其結節形狀類似正方形,邊長約為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 仿生表面減阻結構建模

基于天然蜆子外殼的表面形貌特征分析以及測量出的表面微結構參數,本文設計了3種仿生蜆子外殼表面形貌結構,圖2中(a)、(b)、(c)、(d)分別為光滑表面結構、仿生圓弧棱紋表面結構、仿生梯形棱紋表面結構和仿生棱紋結節表面結構,光滑表面結構作為對照模型,所有表面結構的基體長度為4.4 mm,寬度為4.4 mm,高度為0.5 mm,同時為了更好地模擬天然蜆子殼的特征,3種仿生表面結構設置了30°的彎曲角度,仿生表面結構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。結節的邊長相等為0.5 mm,高度為0.15 mm,結節下方的棱紋高度為0.1 mm,結節之間的間距為0.2 mm。

圖2 光滑表面結構和仿生表面結構

2 固液兩相流數值模擬

2.1 建立橫向仿真模型

本文所用兩相流數值計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,兩相的體積分數可以在0～1任意取值。以仿生圓弧棱紋表面結構為例,圖3為該結構的橫向數值仿真模擬,模型外部流體域長為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,左側為流體入口,右側為流體出口,由于兩相流各項參數保持恒定,故選用穩態計算方式,湍流模型選用k-ε中的RNG模型,該模型考慮了渦流對湍流的影響,因此可以更為準確地提供流場數值解,離散方程的求解算法選用Simplec算法,該算法是對Simple算法的改進,與之相比可以加快迭代過程和提高計算精度。

(a) Y方向視圖 (b) X方向視圖

2.2 仿生表面結構在不同的兩相流流速下的減阻特性

本文的流體介質是由水和沙組成的固液兩相流,其中沙子顆粒體積分數占比為95%,水占比為5%,水和沙均定義為連續相且保持體積分數恒定,水和沙的物性參數見表1。本文先后研究了不同兩相流流速下3種仿生表面結構的減阻特性,進行數值仿真的同時監測在不同流速下仿生表面結構在流向方向上所受到的阻力,根據式(1)計算出仿生表面結構的減阻率:

表1 流體材料以及物性參數

(1)

式中:Fs為光滑表面結構受到的阻力;Fb為仿生表面結構受到的阻力。當η為正值時表現為減阻特性且數值越大表明減阻效果越佳,η為負值時表現為增阻特性。

圖4所示為橫向仿真模型中,3種仿生表面結構在不同的兩相流流速下的減阻率分布。從圖4可以看出,3種仿生表面結構都有減阻特性,在0.5～1 m/s內,棱紋結節表面結構減阻性能最佳,在0.5 m/s時棱紋結節表面結構達到最大減阻率為6.1%,在1～3 m/s圓弧棱紋表面結構的減阻率最佳,在2 m/s時最大減阻率為5.9%;在3～4 m/s時3種仿生表面結構的減阻率都呈現出最低的減阻率,圓弧棱紋表面結構的最低減阻率為1.4%,梯形棱紋表面結構的最低減阻率為0.7%,棱紋結節表面結構的最低減阻率為2.0%;速度大于3 m/s時,棱紋結節表面結構的減阻性能要明顯優于另外兩種仿生結構,最終棱紋結節表面結構的減阻率穩定在4.8%,圓弧棱紋表面結構的減阻率穩定在3.4%,梯形棱紋表面結構穩定在2.7%。

圖4 仿生表面結構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構的減阻機理分析

在橫向結構的數值分析模擬中,當兩相流流速達到6 m/s時,3種仿生表面結構都達到了穩定的減阻率,故本文以兩相流流速為6 m/s時的情況為例,分析3種仿生表面結構的減阻機理。表2為兩相流流速為6 m/s時光滑表面結構和仿生表面結構所受阻力對比。

表2 橫向模擬中光滑表面結構和仿生表面結構所受阻力對比 N

在黏性阻力方面,3種仿生結構以梯形棱紋結構的黏性阻力最小,圓弧棱紋表面結構次之,棱紋結節表面結構因其表面較為復雜,所以所受黏性阻力與前兩者相比較大。在壓差阻力方面,3種仿生結構的壓差阻力較光滑結構都是增加的,其中又以梯形棱紋表面結構的壓差阻力最大,圓弧棱紋表面結構次之,棱紋結節表面結構的壓差阻力最小。對比來看,仿生表面結構所受阻力中黏性阻力占據主體地位且3種仿生表面結構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,這一點以梯形棱紋表面結構最為明顯,表現出較大的壓差阻力值,而棱紋結節表面結構則表現出最小的壓差阻力?？傮w來看,3種仿生結構的壓差阻力的增量明顯小于黏性阻力的減量,所以3種仿生結構都可以表現出減阻的作用,尤其是以棱紋結節表面結構的減阻效果最為明顯。

仿生表面結構會因為流體的黏性作用而受到大小不同的流體剪切應力作用,圖5和圖6分別為各結構受到的表面剪切應力和表面湍流動能云圖,6(a)為光滑表面結構、6(b)為圓弧棱紋表面結構、6(c)為梯形棱紋表面結構、6(d)為棱紋結節表面結構。圖7和圖8分別為各結構表面剪切應力和表面湍流動能,從這些圖中可以看出光滑表面結構受到的表面剪切應力和表面湍流動能呈現平緩下降趨勢,3種仿生表面結構的表面剪切應力和表面湍流動能則與其形狀相似,均在仿生表面結構的棱紋頂部出現最大值,最大值略高于光滑表面結構,其余部位的剪切應力和湍流動能均小于光滑表面結構?？傮w對比來看,仿生結構表面的平均剪切應力與湍流動能均低于光滑結構表面,因此也說明3種仿生結構表面所受到的黏性阻力要小于光滑結構,符合之前得出的3種仿生表面結構能有效減小黏性阻力的結論。

圖5 仿生表面結構受到的剪切應力云圖

圖6 仿生表面結構受到的湍流動能云圖

圖7 仿生表面結構受到的剪切應力

圖8 仿生表面結構受到的湍流動能

4 結論

(1)在橫向模型中,0.5～1 m/s速度區間內,以棱紋結節表面結構的減阻性能最佳,在0.5 m/s的兩相流流速時減阻率達到最高,為6.1%;1～3 m/s速度區間內,圓弧棱紋表面結構的減阻性能最佳;速度大于3 m/s時,棱紋結節結構減阻性能最佳,減阻率穩定在4.8%。

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

(3)本文從仿生表面結構受到的表面剪切應力和湍流動能兩個方面,分析了橫向減阻機理,仿生表面結構可以減小表面受到的剪切應力和湍流動能,繼而減小結構表面受到的黏性阻力,達到減阻效果。