一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構及其優(yōu)化設計方法

1.一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：
1)基于計算流體力學CFD的方法，建立流場幾何模型及自行設計參數特征的仿沙丘微結構幾何模型，并將微結構橫向陣列于流場底面區(qū)域，微結構前后設置緩沖平板區(qū)；
2)對于流場區(qū)域模型，選用速度入口作為入口條件，出口條件選取為壓力出口，其他邊界條件選取為固定壁面；
3)采用Gambit軟件對建立的微結構幾何模型進行網格劃分；
4)采用雷諾平均數值模擬方法RANs對所建立幾何參數的微結構進行流場模擬分析；
5)采用Fluent求解器結合RANs模擬方法對微結構功能表面的減阻效果進行計算與分析，獲得相應的減阻率；
6)通過不斷調整微結構的幾何參數，以給定的減阻率為優(yōu)化目標，重復進行步驟1)-步驟5)的數值模擬過程，最終獲得符合預期目標的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構參數。
2.根據權利要求1所述的一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于：步驟1)中，流場幾何模型區(qū)域大小為15mm×15mm×45mm，其中前后兩段緩沖區(qū)各占1/3，即15mm，中部微結構布置區(qū)域同樣為15mm。
3.根據權利要求1所述的一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于：步驟1)中，仿沙丘微結構高度H設置為40-60μm，長度L設置為100-300μm，第一段圓弧圓心O1位于經微結構底面左側端點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ1設置為
20-30°，第二段圓弧圓心O2位于經微結構最高點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ2設置為25-35°，第三段圓弧連接微結構最高點與底面右側端點，對應圓心角θ3設置為80-90°，曲率半徑設置為40-70μm。
4.根據權利要求1所述的一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于：步驟2)中，入口邊界的邊界類型設置為“Pressure?Far-Field”，壁面邊界的邊界類型為“Wall”，在計算流場域頂部和平板前后，設置對稱邊界條件，以防止側壁干擾。
5.根據權利要求1所述的一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于：步驟3)中，網格劃分過程中將微結構區(qū)域表面附近和遠離微結構的區(qū)域劃分開，設置為主要計算區(qū)域與遠離微結構區(qū)域兩部分，在主要計算區(qū)域中合理設置邊界層，并對邊界層進行適當的加密，主要計算區(qū)域選取較小的網格，遠離微結構區(qū)域選擇使用較大的網格，兩者之間選用interface面進行連接。
6.根據權利要求1所述的一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于：步驟4)中，RANs方法在Realizable?k-ε湍流模型的基礎上進行。
7.根據權利要求1所述的一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于：步驟5)中，F(xiàn)luent軟件的流場參數設定為：流體介質為不可壓空氣，密度ρ為1.29kg/m3，溫度T為288K，壓強P為101325Pa，來流馬赫數M為0.15-0.75，雷諾數Re為6.0
6 6
×10-6.5×10，迭代參數步長設置為0.0004s，步數設置為10000步。
8.根據權利要求1所述的一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的優(yōu)化設計方法，其特征在于：步驟5)中，減阻效果計算以總壓降為計算指標，將微結構表面模型總壓降和光滑表面總壓降進行對比得到減阻率。
9.根據權利要求1-8任一所述的優(yōu)化設計方法獲得的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構。

一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構及其優(yōu)化設計\n方法\n技術領域\n[0001] 本發(fā)明屬于表面減阻技術領域，特別涉及一種使表面具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的設計方法。本發(fā)明所設計的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構表面對減少飛行器在服役過程中的能量消耗，節(jié)約燃油資源有著重要的實踐意義。\n背景技術\n[0002] 目前，國家重大戰(zhàn)略、國際航空市場需求已經引領我國民機制造業(yè)進入快速發(fā)展時期，面臨進入國際民機市場巨大的挑戰(zhàn)。我國民用大型客機C919、C9X9、民用支線客機ARJ21等對提高經濟性、安全性、環(huán)保性有迫切需求。大型飛機的實際飛行統(tǒng)計數據表明，阻力與燃油經濟性呈現(xiàn)密切關聯(lián)。歐盟航空署和NASA等國際民航組織對未來大型飛機提出了更為嚴格的減排降噪環(huán)保要求，到2020年，大型飛機的設計將要求低重量、低噪聲以及低阻力。因此，如何減少飛行阻力，是一個緊迫的工程問題。\n[0003] 以燃油消耗為表征的現(xiàn)代大型民用客機氣動效率受到氣動阻力的嚴重影響。巡航飛行中，機體表面的高量級摩擦阻力使得燃料消耗和碳排放量增加。傳統(tǒng)民機減阻的技術途徑是持續(xù)進行亞音速常規(guī)氣動布局的優(yōu)化和改型設計，從層流翼型開發(fā)應用和全機外形優(yōu)化的外因角度降低全機飛行阻力。經過幾十年的發(fā)展，大型民機總體氣動布局相對穩(wěn)定，且其氣動設計方法日趨成熟。對歐美航空發(fā)達國家和波音、空客進行的漸進式改型飛機而言，飛機氣動布局外形參數改進對降低油耗的貢獻在1％-2％之間，標志著亞音速大型客機的氣動設計進入了精細化時代。在當前氣動設計水平下，大型客機進一步減阻的主要潛力集中在降低表面摩阻上。\n[0004] 目前，常規(guī)的飛機減阻技術已處于瓶頸階段，表面微納米結構技術的發(fā)展為解決氣動減阻的緊迫性問題提供了一個全新思路。通過改變傳統(tǒng)飛機表面結構的應用機制，實現(xiàn)對微流動影響的突破創(chuàng)新。從增強近壁流動穩(wěn)定性和延長層流、延遲轉捩的內因角度降低表面摩阻，帶動總阻力的降低。其優(yōu)勢不僅表現(xiàn)為提高部件空氣動力效率、推遲轉捩和降低阻力的作用，且能對近壁的邊界層底層流動形成疏導，降低層流底部摩擦阻滯、增強表面流動穩(wěn)定，從而推遲邊界層轉移，擴大層流區(qū)域，減小湍流尺度，延遲空化產生，降低表面摩擦阻力。其中，仿鯊魚皮微結構因其耦合了減阻、降噪、脫附、防護等多種生物機能，近年來已被人們廣泛的應用于飛機、艦船、潛艇等多種大型裝備的設計，解決了某些工程實際問題。然而，仿鯊魚皮微結構的減阻效果更多的體現(xiàn)在液體減阻領域，對于空氣減阻的效果并不理想。\n發(fā)明內容\n[0005] 本發(fā)明的目的在于提出一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的設計方法，以減少飛行器在服役過程中的能量消耗，節(jié)約燃油資源，解決飛行器光滑表面在服役過程中風阻過大的問題。\n[0006] 針對現(xiàn)有仿生微結構空氣減阻效果不佳的問題，本發(fā)明提供了一種新型的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構設計方法，其步驟如下：\n[0007] 1)基于計算流體力學(CFD)的方法，建立合適的流場幾何模型及自行設計參數特征的仿沙丘微結構幾何模型，并將微結構橫向陣列于流場底面區(qū)域，微結構前后設置緩沖平板區(qū)，微結構幾何模型如附圖1所示，流場幾何模型如附圖2所示。\n[0008] 2)對于步驟1)中的流場模型，選用速度入口作為入口條件，出口條件選取為壓力出口，其他邊界條件選取為固定壁面。\n[0009] 3)采用Gambit軟件進行對步驟1)中建立的微結構幾何模型進行網格劃分，如附圖\n3所示。\n[0010] 4)采用雷諾平均數值模擬方法(RANs)對步驟3)中建立特定幾何參數的微結構進行流場模擬分析。\n[0011] 5)采用Fluent求解器結合步驟4)中的模擬方法對微結構功能表面的減阻效果進行計算與分析，獲得相應的減阻率。\n[0012] 6)通過不斷調整微結構的幾何參數，以給定的減阻率為優(yōu)化目標，重復進行步驟\n1)-步驟5)的數值模擬過程，最終獲得符合預期目標的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構參數。整體設計過程的工藝流程圖如附圖4所示。\n[0013] 具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構，相較于以往傳統(tǒng)的仿生微結構而言，在空氣減阻領域有著更為優(yōu)異的性能。此外，該設計方法具有針對不同流場狀態(tài)下的普適性，同時具有節(jié)約設計成本，縮短設計周期，減少設計損耗的優(yōu)點，整體方法具有良好的針對性和靈活性。\n[0014] 本發(fā)明中，所述步驟1)中流場幾何模型區(qū)域大小為15mm×15mm×45mm，其中前后兩段緩沖區(qū)各占1/3，即15mm，中部微結構布置區(qū)域同樣為15mm。\n[0015] 本發(fā)明中，所述步驟1)中仿沙丘微結構高度H設置為40-60μm均可，長度L設置為\n100-300μm均可，第一段圓弧圓心O1位于經微結構底面左側端點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ1設置為20-30°均可，第二段圓弧圓心O2位于經微結構最高點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ2設置為25-35°均可，第三段圓弧連接微結構最高點與底面右側端點，對應圓心角θ3設置為80-90°均可，曲率半徑設置為40-70μm均可。\n[0016] 本發(fā)明中，所述步驟2)中入口邊界的邊界類型設置為“Pressure?Far-Field”，壁面邊界的邊界類型為“Wall”。\n[0017] 本發(fā)明中，所述步驟2)中在計算流場域頂部和平板前后，設置了對稱邊界條件，以防止側壁干擾。\n[0018] 本發(fā)明中，所述步驟3)的網格劃分過程中將微結構區(qū)域表面附近和遠離微結構的區(qū)域劃分開，設置為主要計算區(qū)域與遠離微結構區(qū)域兩部分；然后在主要計算區(qū)域中合理設置邊界層，并對邊界層進行適當的加密。主要計算區(qū)域選取較小的網格，遠離微結構區(qū)域選擇使用較大的網格。兩者之間選用interface面進行連接。\n[0019] 本發(fā)明中，所述步驟4)中RANs方法在Realizable?k-ε湍流模型的基礎上進行。\n[0020] 本發(fā)明中，所述步驟5)中Fluent軟件的流場參數設定為：流體介質為不可壓空氣，密度(ρ)為1.29kg/m3，溫度(T)為288K，壓強(P)為101325Pa，來流馬赫數(M)為0.15-0.75均可，雷諾數(Re)為6.0×106-6.5×106均可，迭代參數步長設置為0.0004s，步數設置為10000步。\n[0021] 本發(fā)明中，所述步驟5)中減阻效果計算以總壓降為計算指標，將微結構表面模型總壓降和光滑表面總壓降進行對比得到減阻率。\n[0022] 本發(fā)明提出一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構設計方法，基于雷諾平均數值模擬方法(RANs)，針對幾何設計后的沙丘微結構以橫向方式排列(結構垂直于流體流動方向排布)，并以Gambit軟件對所建模型進行有限劃分，采用Realizable?k-ε湍流模型并結合Fluent求解器對微結構功能表面的減阻效果進行計算與分析，從而得到一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構，有利于緩解飛行器在服役過程中因風阻過大而導致的能耗過高的問題。該設計方法高效、靈活，所得到的微結構在飛行器減阻領域有著重要的應用價值。\n[0023] 采用本發(fā)明的方法制備的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的設計方法具有以下特點：\n[0024] 1)具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構設計方法具有針對不同流場狀態(tài)的普適性。\n[0025] 2)具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構設計方法可以節(jié)約設計成本，縮短設計周期，減少設計損耗。\n[0026] 3)具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構設計方法對飛行器氣動結構設計提供了一定的參考。\n[0027] 4)具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構設計方法可以用于航空航天等領域。\n附圖說明\n[0028] 圖1為本發(fā)明中依照實施例1的方法所設計的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的幾何模型示意圖；\n[0029] 圖2為本發(fā)明中依照實施例1的方法所設計的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構所處的流場幾何模型示意圖；\n[0030] 圖3為本發(fā)明中依照實施例1的方法所設計的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的網格劃分示意圖；\n[0031] 圖4為本發(fā)明中實施例1中所設計的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的設計工藝流程圖；\n具體實施方式\n[0032] 以下結合具體實施例，對本發(fā)明進行詳細說明。\n[0033] 實施例1\n[0034] 本發(fā)明的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的設計方法如下：\n[0035] 第一步，建立區(qū)域大小為15mm×15mm×45mm的流場幾何模型，在流場區(qū)域前后兩段各設置15mm長的緩沖區(qū)，中部區(qū)域預留15mm以布置微結構陣列。\n[0036] 第二步，建立仿沙丘微結構幾何模型，高度H設置為40μm，長度L設置為200μm，第一段圓弧圓心O1位于經微結構底面左側端點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ1設置為\n25°，第二段圓弧圓心O2位于經微結構最高點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ2設置為\n30°，第三段圓弧連接微結構最高點與底面右側端點，對應圓心角θ3設置為85°，曲率半徑設置為45μm。\n[0037] 第三步，將仿沙丘微結構橫向陣列于流場區(qū)域中，將流場區(qū)域入口邊界的邊界類型設置為“Pressure?Far-Field”，壁面邊界的邊界類型設置為“Wall”，在流場域頂部和平板前后，設置對稱邊界條件。\n[0038] 第四步，對仿沙丘微結構采用Gambit軟件進行網格劃分，將微結構區(qū)域表面附近和遠離微結構的區(qū)域劃為主要計算區(qū)域與遠離微結構區(qū)域兩部分，然后在主要計算區(qū)域中設置邊界層并加密。主要計算區(qū)域選取較小的網格，遠離微結構區(qū)域選擇使用較大的網格。\n兩者之間選用interface面進行連接以提高計算精度。\n[0039] 第五步，針對設定的流場及仿沙丘微結構，選擇RANs方法，經光滑平板計算驗證后，選擇Realizable?k-ε湍流模型，結合Fluent求解器進行流場分析模擬，其中Fluent軟件\n3\n的流場參數設定為：流體介質為不可壓空氣，密度(ρ)為1.29kg/m ，溫度(T)為288K，壓強(P)為101325Pa，來流馬赫數(M)為0.2，雷諾數(Re)為6.0×106，迭代參數步長設置為\n0.0004s，步數設置為10000步。\n[0040] 第六步，以模擬得到的總壓降為計算指標，將微結構表面模型總壓降和光滑表面總壓降進行對比得到減阻率為14％。\n[0041] 依上法可獲得一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構。\n[0042] 實施例2\n[0043] 本發(fā)明的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的設計方法如下：\n[0044] 第一步，建立區(qū)域大小為15mm×15mm×45mm的流場幾何模型，在流場區(qū)域前后兩段各設置15mm長的緩沖區(qū)，中部區(qū)域預留15mm以布置微結構陣列。\n[0045] 第二步，建立仿沙丘微結構幾何模型，高度H設置為50μm，長度L設置為250μm，第一段圓弧圓心O1位于經微結構底面左側端點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ1設置為\n20°，第二段圓弧圓心O2位于經微結構最高點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ2設置為\n25°，第三段圓弧連接微結構最高點與底面右側端點，對應圓心角θ3設置為90°，曲率半徑設置為50μm。\n[0046] 第三步，將仿沙丘微結構橫向陣列于流場區(qū)域中，將流場區(qū)域入口邊界的邊界類型設置為“Pressure?Far-Field”，壁面邊界的邊界類型設置為“Wall”，在流場域頂部和平板前后，設置對稱邊界條件。\n[0047] 第四步，對仿沙丘微結構采用Gambit軟件進行網格劃分，將微結構區(qū)域表面附近和遠離微結構的區(qū)域劃為主要計算區(qū)域與遠離微結構區(qū)域兩部分，然后在主要計算區(qū)域中設置邊界層并加密。主要計算區(qū)域選取較小的網格，遠離微結構區(qū)域選擇使用較大的網格。\n兩者之間選用interface面進行連接。\n[0048] 第五步，針對設定的流場及仿沙丘微結構，采用RANs方法在Realizable?k-ε湍流模型的基礎上結合Fluent求解器進行流場模擬分析，其中Fluent軟件的流場參數設定為：\n流體介質為不可壓空氣，密度(ρ)為1.29kg/m3，溫度(T)為288K，壓強(P)為101325Pa，來流\n6\n馬赫數(M)為0.75，雷諾數(Re)為6.5×10 ，迭代參數步長設置為0.0004s，步數設置為\n10000步。\n[0049] 第六步，以模擬得到的總壓降為計算指標，將微結構表面模型總壓降和光滑表面總壓降進行對比得到減阻率為16％。\n[0050] 依上法可獲得一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構。\n[0051] 實施例3\n[0052] 本發(fā)明的具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構的設計方法如下：\n[0053] 第一步，建立區(qū)域大小為15mm×15mm×45mm的流場幾何模型，在流場區(qū)域前后兩段各設置15mm長的緩沖區(qū)，中部區(qū)域預留15mm以布置微結構陣列。\n[0054] 第二步，建立仿沙丘微結構幾何模型，高度H設置為60μm，長度L設置為300μm，第一段圓弧圓心O1位于經微結構底面左側端點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ1設置為\n30°，第二段圓弧圓心O2位于經微結構最高點且垂直于底面的垂線上，對應圓心角θ2設置為\n35°，第三段圓弧連接微結構最高點與底面右側端點，對應圓心角θ3設置為80°，曲率半徑設置為65μm。\n[0055] 第三步，將仿沙丘微結構橫向陣列于流場區(qū)域中，將流場區(qū)域入口邊界的邊界類型設置為“Pressure?Far-Field”，壁面邊界的邊界類型設置為“Wall”，在流場域頂部和平板前后，設置對稱邊界條件。\n[0056] 第四步，對仿沙丘微結構采用Gambit軟件進行網格劃分，將微結構區(qū)域表面附近和遠離微結構的區(qū)域劃為主要計算區(qū)域與遠離微結構區(qū)域兩部分，然后在主要計算區(qū)域中設置邊界層并加密。主要計算區(qū)域選取較小的網格，遠離微結構區(qū)域選擇使用較大的網格。\n兩者之間選用interface面進行連接。\n[0057] 第五步，針對設定的流場及仿沙丘微結構，采用RANs方法在Realizable?k-ε湍流模型的基礎上結合Fluent求解器進行流場模擬分析，其中Fluent軟件的流場參數設定為：\n流體介質為不可壓空氣，密度(ρ)為1.29kg/m3，溫度(T)為288K，壓強(P)為101325Pa，來流馬赫數(M)為0.45，雷諾數(Re)為6.3×106，迭代參數步長設置為0.0004s，步數設置為\n10000步。\n[0058] 第六步，以模擬得到的總壓降為計算指標，將微結構表面模型總壓降和光滑表面總壓降進行對比得到減阻率為19％。\n[0059] 依上法可獲得一種具有高效空氣減阻功能的仿沙丘微結構。\n[0060] 應當理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，而所有這些改進和變換都應屬于本發(fā)明所附權利要求的保護范圍。