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基于表面设计减阻的水下航行体模型实验与数值分析

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白莉 陈大融 李笑迪 汪家道 周刚 谢昱北

清华大学精仪系摩擦学国家重点实验室,北京100084

实验力学
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国际标准刊号:ISSN 1001-4888
国内统一刊号:CN 34-1057

摘  要:

针对水下航行体高速航行时提高航速的需要,开展近壁面湍流边界层减阻的研究。进行表面设计使旋涡流动加强导致局部空化从而产生壁面附着的微气泡,以降低流体粘性系数,伴随近壁面湍流结构的改变来实现一定幅度的减阻。设计并进行轴对称体模型在高压循环水洞中的空化现象观测和阻力测量并做了相应条件下的数值计算。实验和数值结果分析的基本结论比较一致:某种特征表面形貌在湍流中有一定幅度的减阻,局部空化效应在中低流速下牺牲压差阻力而导致航行总阻力升高,在高流速条件下则降低总阻力。[著者文摘]

引言流体的被动或主动控制是流体动力学理论和应用研究中的重要课题。近壁面流动控制研究始于Prandtl绊线干扰边界层的过渡流动,应工业发展的需求,已在油气运输、超音速航天器设计、水下航行体的减阻降噪,湍流增强、流动噪声抑制等方面展开研究[1]。近壁湍流8O%的湍动能由猝发过程(包括下扫和喷射)产生,下扫过程与湍流壁面剪切力紧密相关,而近壁面低速流条的不定常性是维持湍流猝发周而复始的诱因。控制近壁面径向涡和抑制相应的低速流条的不定常性也许是湍流减阻的关键[2]。实验和数值研究表明,修正壁面的剪切应力是一种有效的途径。改变物面边界条件、减小粘性系数或降低湍流的结构尺度,能有效降低水下航行体湍流中的阻力,包括表面沟槽、肋条、微气泡、气幕、超空泡绕流以及高分子涂层[3-17]。NASA Langley研究中心的Walsh等【3]由实验研究首次提出,在物体表面布置一定间距的肋条可一定程度上减小物体在湍流中的航行阻力。分析认为肋条在湍流边界层中下扫过程中阻止径向......

文章出处:

《实验力学》-2006年21卷5期 -661-666页

Journal of Experimental Mechanics

分 类 号:

O357.5

文献标识码:

A

文章编号:

1001-4888(2006)05-0661-06

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[参考文献]

Experimental Study and Numerical Simulation on Drag Reduction of the Underwater Vehicle Based on Surface Profile Design

BAI Li, CHEN Da-rong, LI Xiao-di, WANG Jia-dao, ZHOU Gang, XIE YU-bei (State Key Lab of Tribology, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract:

The experiment studies on near-wall turbulent drag reduction have been conducted for increasing speed of underwater vehicle. The latest conception on this subject is to reduce viscous coefficients, to interrupt the near-wall boundary turbulent behavior or to combine the two ways together. It is desirable to produce steady micro-bubble in the designed surface profile with which can limit turbulent flow and vortex converter across the streamline. The model test is designed and made for observing the cavitations and total force of an axis symmetric body in high-pressure circular water tunnel, which include rectangular, triangle and spline curve surface profiles. The test data is compared with the corresponding numerical simulation results. The later has the similar surface profile but the simplified computation domain with the boundary condition for computation convenience. It is concluded that the local cavitations effect forms negative pressure grads of the turbulent boundary therefore enforces total force under low and modest velocity but reduces the total force under high velocity.[著者文摘]

Key words:

underwater vehicle; near-wall boundary; surface profile design; turbulent drug reduction

收稿日期: 2005-08-24
修订日期: 2006-09-07

作者简介:

通讯作者:陈大融,教授,博导,俄罗斯工程院外籍院士。主要研究领域:界面控制科学与技术;水中及水下减阻理论与技术。

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