蚬子外壳仿生表面减阻结构的设计与分析

林盛,宋世奇

(大连交通大学 机械工程学院,辽宁 大连 116028)

仿生表面减阻结构具有成本低、容易实现、效果突出等优势,在诸多减阻技术中应用广泛,主要应用于民用航空、航海运输和石油天然气管道运输等方面[1-4]。早在20世纪80年代,NASA兰利研究中心的Walsh[5-7]首次发现凹槽棱纹结构对表面减阻有一定的积极作用,这打破了以往人们认为表面越光滑阻力越小的认知,从那时起,国内外相关学者一直在仿生表面减阻结构方面开展研究,并取得一些显著成果。丛茜等[8]利用有限体积法对三角形、扇贝形和刀刃形3种仿生表面沟槽结构进行了数值计算,分析了不同沟槽形状对减阻效果的影响。Wu等[9]利用3D显微镜和扫描电镜对泥鳅的表面皮肤微观形貌进行了观察和分析,设计了仿生泥鳅横向V形表面微结构并对表面微结构进行仿真模拟,结果表明在速度为1m/s时达到最大减阻率,此外该研究还对具有不同柔性变形的仿生V形减阻结构进行了仿真数值分析,发现柔性体具有良好的自适应性,可通过实时变形减小阻力。卢愿[10]利用数值仿真模拟方法对不同沟槽尺寸、角度、数量、间距、形状下的横向沟槽减阻效果进行研究对比并通过研究结果分析横向沟槽结构在水中的减阻机理。Wu等[11]以擅长土壤挖掘的蚁狮幼体为仿生原型,建立了凸起高度和运动速度之间的数学关系,设计了仿生减阻铲尖,并通过田间试验验证了其良好的减阻效果。

近年来仿生表面减阻结构的研究大多是在单相环境中开展,缺少在多相环境中的仿生表面减阻结构的研究。本文受天然生物蚬子在泥沙中优异的运动能力的启发,根据蚬子外壳表面的显微图像设计了3种仿生表面减阻结构,并利用CFD数值模拟方法中的Mixture多相流模型,横向仿真模拟了仿生表面结构的流动特性,得出了在不同两相流速度下各仿生表面结构的减阻特性。

1 仿生表面减阻结构建模

1.1 天然蚬子的表面结构分析

生物经过亿万年的生命演化与协同进化,造就了适应外界环境的特殊能力,这与生物体表的形貌特征密切相关。蚬子作为一种典型的双壳贝类生物,其表面的特殊纹理结构与其在泥沙中优异的运动能力有着必然联系。本文使用基恩士VW-6000动态显微系统,观察天然蚬子的表面微观结构,测量其表面几何参数,图1为天然蚬子壳的整体图以及局部显微图。从图中可以清楚看到天然蚬子的外壳表面的纹理结构,其中蚬子外壳的中间边缘部位见图1(c),呈现规律的棱纹沟壑结构,测量出天然蚬子壳的棱纹宽度为0.5 mm左右,棱纹之间的沟壑间距为0.2 mm。图1(d)为天然蚬子壳左侧部位的显微图,可以看出,壳的左侧部位由大小相似的结节规律排布而成,呈现棱纹与结节相结合的表面结构,其结节形状类似正方形,边长约为0.5 mm,棱纹宽度约为0.5 mm,棱纹之间的沟壑间距约为0.2 mm。

图1 天然蚬子外壳的整体图像以及局部显微图像

1.2 仿生表面减阻结构建模

基于天然蚬子外壳的表面形貌特征分析以及测量出的表面微结构参数,本文设计了3种仿生蚬子外壳表面形貌结构,图2中(a)、(b)、(c)、(d)分别为光滑表面结构、仿生圆弧棱纹表面结构、仿生梯形棱纹表面结构和仿生棱纹结节表面结构,光滑表面结构作为对照模型,所有表面结构的基体长度为4.4 mm,宽度为4.4 mm,高度为0.5 mm,同时为了更好地模拟天然蚬子壳的特征,3种仿生表面结构设置了30°的弯曲角度,仿生表面结构上的圆弧棱纹宽度为0.5 mm,高度为0.25 mm,棱纹之间的沟壑间距为0.2 mm。梯形棱纹的底边为0.5 mm,顶边为0.25 mm,高度为0.25 mm,间距为0.2 mm。结节的边长相等为0.5 mm,高度为0.15 mm,结节下方的棱纹高度为0.1 mm,结节之间的间距为0.2 mm。

图2 光滑表面结构和仿生表面结构

2 固液两相流数值模拟

2.1 建立横向仿真模型

本文所用两相流数值计算模型是基于欧拉多相流理论的固液两相流Mixture模型,该模型多用于两相或多相均质混合模拟,即固体颗粒和水以相同的速度均匀混合,两相间可以互相贯穿且不存在相间交互面,两相的体积分数可以在0～1任意取值。以仿生圆弧棱纹表面结构为例,图3为该结构的横向数值仿真模拟,模型外部流体域长为30 mm,宽为20 mm,高为10 mm,仿生模型的中间部位距离入口为20 mm,左侧为流体入口,右侧为流体出口,由于两相流各项参数保持恒定,故选用稳态计算方式,湍流模型选用k-ε中的RNG模型,该模型考虑了涡流对湍流的影响,因此可以更为准确地提供流场数值解,离散方程的求解算法选用Simplec算法,该算法是对Simple算法的改进,与之相比可以加快迭代过程和提高计算精度。

(a) Y方向视图 (b) X方向视图

2.2 仿生表面结构在不同的两相流流速下的减阻特性

本文的流体介质是由水和沙组成的固液两相流,其中沙子颗粒体积分数占比为95%,水占比为5%,水和沙均定义为连续相且保持体积分数恒定,水和沙的物性参数见表1。本文先后研究了不同两相流流速下3种仿生表面结构的减阻特性,进行数值仿真的同时监测在不同流速下仿生表面结构在流向方向上所受到的阻力,根据式(1)计算出仿生表面结构的减阻率:

表1 流体材料以及物性参数

(1)

式中:Fs为光滑表面结构受到的阻力;Fb为仿生表面结构受到的阻力。当η为正值时表现为减阻特性且数值越大表明减阻效果越佳,η为负值时表现为增阻特性。

图4所示为横向仿真模型中,3种仿生表面结构在不同的两相流流速下的减阻率分布。从图4可以看出,3种仿生表面结构都有减阻特性,在0.5～1 m/s内,棱纹结节表面结构减阻性能最佳,在0.5 m/s时棱纹结节表面结构达到最大减阻率为6.1%,在1～3 m/s圆弧棱纹表面结构的减阻率最佳,在2 m/s时最大减阻率为5.9%;在3～4 m/s时3种仿生表面结构的减阻率都呈现出最低的减阻率,圆弧棱纹表面结构的最低减阻率为1.4%,梯形棱纹表面结构的最低减阻率为0.7%,棱纹结节表面结构的最低减阻率为2.0%;速度大于3 m/s时,棱纹结节表面结构的减阻性能要明显优于另外两种仿生结构,最终棱纹结节表面结构的减阻率稳定在4.8%,圆弧棱纹表面结构的减阻率稳定在3.4%,梯形棱纹表面结构稳定在2.7%。

图4 仿生表面结构在不同的两相流流速下的减阻率(横向仿真模型)

3 横向模型中仿生表面结构的减阻机理分析

在横向结构的数值分析模拟中,当两相流流速达到6 m/s时,3种仿生表面结构都达到了稳定的减阻率,故本文以两相流流速为6 m/s时的情况为例,分析3种仿生表面结构的减阻机理。表2为两相流流速为6 m/s时光滑表面结构和仿生表面结构所受阻力对比。

表2 横向模拟中光滑表面结构和仿生表面结构所受阻力对比 N

在黏性阻力方面,3种仿生结构以梯形棱纹结构的黏性阻力最小,圆弧棱纹表面结构次之,棱纹结节表面结构因其表面较为复杂,所以所受黏性阻力与前两者相比较大。在压差阻力方面,3种仿生结构的压差阻力较光滑结构都是增加的,其中又以梯形棱纹表面结构的压差阻力最大,圆弧棱纹表面结构次之,棱纹结节表面结构的压差阻力最小。对比来看,仿生表面结构所受阻力中黏性阻力占据主体地位且3种仿生表面结构都能够降低表面所受黏性阻力,但都伴随着压差阻力的增大,这一点以梯形棱纹表面结构最为明显,表现出较大的压差阻力值,而棱纹结节表面结构则表现出最小的压差阻力。总体来看,3种仿生结构的压差阻力的增量明显小于黏性阻力的减量,所以3种仿生结构都可以表现出减阻的作用,尤其是以棱纹结节表面结构的减阻效果最为明显。

仿生表面结构会因为流体的黏性作用而受到大小不同的流体剪切应力作用,图5和图6分别为各结构受到的表面剪切应力和表面湍流动能云图,6(a)为光滑表面结构、6(b)为圆弧棱纹表面结构、6(c)为梯形棱纹表面结构、6(d)为棱纹结节表面结构。图7和图8分别为各结构表面剪切应力和表面湍流动能,从这些图中可以看出光滑表面结构受到的表面剪切应力和表面湍流动能呈现平缓下降趋势,3种仿生表面结构的表面剪切应力和表面湍流动能则与其形状相似,均在仿生表面结构的棱纹顶部出现最大值,最大值略高于光滑表面结构,其余部位的剪切应力和湍流动能均小于光滑表面结构。总体对比来看,仿生结构表面的平均剪切应力与湍流动能均低于光滑结构表面,因此也说明3种仿生结构表面所受到的黏性阻力要小于光滑结构,符合之前得出的3种仿生表面结构能有效减小黏性阻力的结论。

图5 仿生表面结构受到的剪切应力云图

图6 仿生表面结构受到的湍流动能云图

图7 仿生表面结构受到的剪切应力

图8 仿生表面结构受到的湍流动能

4 结论

(1)在横向模型中,0.5～1 m/s速度区间内,以棱纹结节表面结构的减阻性能最佳,在0.5 m/s的两相流流速时减阻率达到最高,为6.1%;1～3 m/s速度区间内,圆弧棱纹表面结构的减阻性能最佳;速度大于3 m/s时,棱纹结节结构减阻性能最佳,减阻率稳定在4.8%。

(2)本文分析了仿生表面结构在两相流中压差阻力和黏性阻力的影响,其中黏性阻力占据总阻力的主体部分,3种仿生结构的压差阻力的增量明显小于黏性阻力的减量,所以3种仿生结构都可以表现出明显的减阻特性。

(3)本文从仿生表面结构受到的表面剪切应力和湍流动能两个方面,分析了横向减阻机理,仿生表面结构可以减小表面受到的剪切应力和湍流动能,继而减小结构表面受到的黏性阻力,达到减阻效果。