一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法技术

本发明专利技术公开了一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，该方法为：构建超疏水微结构表面的流体模型；使用网格划分软件对建立的模型进行网格划分；将划分好网格的mesh文件导入Fluent中施加边界条件进行求解运算；对求解后的case文件进行后处理。该方法具有工艺简单、效率高、可获得全局流场分布的特点，可运用于模拟分析船舶、输油管道微结构表面的减阻效果。

A method for numerical simulation of drag reduction on superhydrophobic surfaces

【技术实现步骤摘要】
一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法
本专利技术属于数值模拟
，尤其涉及一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法。
技术介绍
雨中荷叶上水滴滚来滚去，清晨蝉翼上露珠凝集，海水中鲨鱼穿梭如飞，这些现象像我们展示了一种独特的表面。这种表面的水接触角大于150°，滚动角小于10°，被称为超疏水表面。超疏水表面具有良好的减阻效果，可以运用于航海、管道运输、医疗器械等行业。超疏水技术能有力的减小流体与壁面的阻力，符合节能环保的理念。目前，超疏水减阻表面的减阻效果的检测一般是通过先实验制备样品再测试减阻性能的方式。这种检测方法工艺繁琐、效率低、不能获得气液交界面的流场分布，难以解释减阻机理。例如申请号为201710848040.5的专利公开了一种测试超疏水材料减阻性能的小型实验装置，通过压差计测量管道内流体压力变化，通过激光发射器与摄像机检测部分流场分布，以此衡量超疏水表面的减阻效果。201610256387.6的专利公开了一种仿生超疏水表面制备及减阻的方法，将铜球经过腐蚀和修饰制备出超疏水表面，再使用高清相机拍摄超疏水表面入水后的超空泡现象来展现其减阻效果，并以此作为优化设计方法的标准。申请号为201110396837.9的专利公开了一种减阻超疏水涂层及其制备方法，用制备出的超疏水表面在水槽中滑行，计算其滑行所需时间，以此来判定表面的减阻效果，作为优化设计的标准。上述几种方法均能用于衡量超疏水表面的减阻效果，但也存在一定问题，例如制备表面时间长，成本太高，测量效率低，难以获得全局流场分布等。因此，寻找出方法简单，成本低，效率高的量化表征微结构表面减阻效果的方法显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决测量超疏水表面减阻效果工艺繁琐、效率低、成本高、不能获得流场分布的缺点，研究了一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法,采用Fluent数值模拟的方式去模拟微结构表面的流场分布情况，可以清晰明了的观察表面的减阻效果，并且可以通过详细的数值来表示不同微结构表面的减阻率。观察气液、液固交界面处流场分布，可以深入分析滑移减阻的原因，对超疏水表面减阻机理的研究有重要的价值。为了实现以上目的，本专利技术技术解决方案如下:一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，采用以下步骤：(1)建立模型：建立微结构表面的流体模型，在流体模型中反映出微结构的尺寸、形貌工艺参数；(2)网格划分：将步骤(1)所建立的微结构表面的流体模型导入Icem中并进行网格划分，得到mesh文件；(3)计算求解：将步骤(2)所得mesh文件导入Fluent，选择计算模型和施加边界条件后，经计算求解得到case文件；(4)数据处理：将步骤(3)所得case文件进行后处理操作，输出速度、压力的数据反应减阻效果，生成文件。进一步地，所述步骤(1)中建立模型使用二维或三维绘图软件构建微结构表面的流体模型，在模型中进行调整微结构尺寸与形貌工艺参数。作为优选，所述绘图软件选用Cad、Solidworks、UG、Icem。作为优选，所述步骤(2)网格划分需定义模型的出入口、壁面部分，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后将划分的块与各个部分进行关联，关联完成后在近壁面对网格进行加密处理，设置网格疏密Spacing为0.0001，生长率Ratio为1.2，保证输出的网格质量大于等于0.9，保证计算的精确性。作为优选，所述步骤(3)计算求解所使用的计算模型为standardk-ε和VOF模型，采用速度入口与压力出口，在Adapt中生成两个寄存器，初始化定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1。作为优选，所述步骤(4)的数据处理方式为在surface选项中选取几个关键的点(保证每次选取的点在相同的位置)与交界面作为数据输出的对象，在plots中用XYplot方式输出速度、压力参数。相对于现有技术,本专利技术方法具有如下有益效果：(1)工艺简单。不使用传统的实验制备超疏水表面再测试减阻性能的方式，采用数值模拟的方式，求得表面的减阻率，省去了繁琐的制备表面的过程，工艺路线简单。(2)效率高。在电脑中建立模型、网格划分、计算求解这一系列步骤只需一两个小时即可完成，比传统的路线短则半天，长则一天效率高了数倍。(3)成本低。只需要一台电脑就可以模拟各种微结构表面的减阻效果，无需其他制备、检测装置，因此成本非常低廉，具有广泛的运用前景。(4)可获得全局流场分布。求解计算后，可以得到整个流场的压力、速度、相位等参数，比传统的定点检测出入口的压差、流量等更详细、全面的反映整体的减阻效果。(5)本专利技术注重于微观现象，通过对微结构的尺寸等参数进行细化，通过改变微结构的参数来衡量减阻效果，实际制备过程中是改变表面微结构来改变减阻效果，减阻效果的衡量与实际更加贴合。附图说明图1为本专利技术数值模拟的流程图；图2为本专利技术实施例微结构表面相位云图；图3为本专利技术实施例微结构表面流体的压力云图；图4为本专利技术实施例微结构表面流体的速度矢量图；图5为本专利技术实施例微结构表面流体的速度云图；图6为本专利技术实施例微结构表面凹槽与凸起处的速度值。具体实施方式下列实施例将进一步详细说明本专利技术，但本专利技术的内容并不局限于此，所述实验方法若无特别说明均为常规方法。实施例本实施例的数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，包括如下步骤：(1)建立模型：使用Icem软件构建二维微结构表面的流体模型，先建立原点，再依次以原点为参考点建立节点，整体尺寸为长为2mm，宽为0.32mm，微结构尺寸为凹槽宽20μm，槽深为20μm，凸起宽10μm。(2)网格划分：定义模型的左端为入口、右端为出口，其他为壁面，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后将划分的块与各个部分进行关联，关联完成后在近壁面对网格进行加密处理，设置网格疏密Spacing为0.0001，生长率Ratio为1.2，保证输出的网格质量大于等于0.9，保证计算的精确性，生成mesh文件。(3)计算求解：计算求解所使用的计算模型为standardk-ε和VOF模型，材料设置中添加液态水，相位设置中air为第一相，water-liquid为第二相，边界条件采用1m/s的速度入口与大气压力下的压力出口；初始化时在Adapt中生成两个寄存器，定义寄存器1微结构内水的体积为0，寄存器2其他流体部分水的体积为1，monitors中计算收敛精度调整为0.00001，运行计算直至残差曲线收敛，保存case&data文件。(4)数据处理：点开GraphicsandAnimations选项，在Contours和Vectors中查看速度、压力云图以及速度矢量图，在File选项中选择Savepicture保存得到的图片，在surface选项中选取凹槽，凸起上两点作为数据输出的对象，在plots中用XYplot方式输出两点处速度、压力等参数。本实例的微结构表面相位云图如图2所示，本实例的微结构表面流体的压力云图如图3所示凹槽右侧因为液体与空气的冲击有压力集中现象，本实施例的微结构表面流体的速度矢量图如图4所示凹槽内产生气旋，本实施例的微结构表面流体的速度云图如图5所示凹槽处由于存在空气产生了滑移速度具有明显的减阻效果，最终微结构表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：(1)建立模型：建立微结构表面的流体模型，在流体模型中反映出微结构的尺寸、形貌工艺参数；(2)网格划分：将步骤(1)所建立的微结构表面的流体模型导入Icem中并进行网格划分，得到mesh文件；(3)计算求解：将步骤(2)所得mesh文件导入Fluent，选择计算模型和施加边界条件后，经计算求解得到case文件；(4)数据处理：将步骤(3)所得case文件进行后处理操作，输出速度、压力的数据反应减阻效果，生成文件。

【技术特征摘要】
1.一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，其特征在于，该方法由以下步骤组成：(1)建立模型：建立微结构表面的流体模型，在流体模型中反映出微结构的尺寸、形貌工艺参数；(2)网格划分：将步骤(1)所建立的微结构表面的流体模型导入Icem中并进行网格划分，得到mesh文件；(3)计算求解：将步骤(2)所得mesh文件导入Fluent，选择计算模型和施加边界条件后，经计算求解得到case文件；(4)数据处理：将步骤(3)所得case文件进行后处理操作，输出速度、压力的数据反应减阻效果，生成文件。2.根据权利要求1所述的数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立模型使用二维或三维绘图软件构建微结构表面的流体模型，在模型中进行调整微结构尺寸与形貌工艺参数。3.根据权利要求1所述的数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，其特征在于，所述绘图软件选用Cad、Solidworks、UG或Icem的其中一种或几种。4.根据权利要求1所述的数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：叶霞，顾江，徐伟，刘群超，范振敏，张鹏，杨晓红，
申请(专利权)人：江苏理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32