一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法技术

本发明专利技术公开了一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法，该方法为：对旋转圆盘及其周围的流场进行建模，形成二维旋转轴对称模型；对所述二维旋转轴对称模型进行仿真计算，得到旋转圆盘表面流场的湍流强度，并找到旋转圆盘的流边界层的转捩点的径向位置；旋转圆盘的转速不变，设置不同的等效粗糙高度后，得到不同的等效粗糙高度对应的转捩点的径向位置；在所有转捩点的径向位置中，找到最大的转捩点的径向位置对应的等效粗糙高度；将该等效粗糙高度设置为所述二维旋转轴对称模型的参数后，进行后续的旋转圆盘表面流场分析。本发明专利技术采用了等效粗糙高度来模拟圆盘表面的不光滑情况，能够为探究不光滑表面流动的变化提供参考。供参考。供参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法


[0001]本专利技术属于旋转圆盘
，具体涉及一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法。

技术介绍

[0002]多年以来，旋转圆盘表面的流动问题一直是流体力学研究的热门问题。研究旋转圆盘表面主要是为了通过观察其表面的流动特性，进而发现其边界层的变化情况。虽然理论研究通常将模型理想化成光滑表面，但现实生活中并不存在完全光滑的表面，即使是很小量级的粗糙度对物体表面流场影响也是巨大的。因此对非光滑物体表面流场研究就显得很有必要。
[0003]目前的研究主要集中在对具有同心沟槽、波浪形表面或采用仿生学表面的圆盘进行研究，如果将上述几种表面等应用到工程实际，可能会对现有物体外表造成较大的破坏，也增加了加工难度。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法，采用了等效粗糙高度来模拟圆盘表面的不光滑情况，能够为探究不光滑表面流动的变化提供参考。
[0005]本专利技术是通过下述技术方案实现的：
[0006]一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法，具体步骤如下：
[0007]步骤一，对待进行表面流场分析的旋转圆盘及其周围的流场进行建模，形成二维旋转轴对称模型，并设置所述二维旋转轴对称模型的边界条件及设置旋转圆盘的转速ω及等效粗糙高度Ks；
[0008]步骤二，对所述二维旋转轴对称模型进行仿真计算，得到旋转圆盘表面流场的湍流强度，并找到在步骤一设置的旋转圆盘的转速ω及等效粗糙高度Ks条件下的旋转圆盘的流边界层的转捩点的径向位置r；
[0009]步骤三，旋转圆盘的转速ω不变，设置不同的等效粗糙高度Ks后，重复步骤二，得到在旋转圆盘的转速ω下，不同的等效粗糙高度Ks对应的转捩点的径向位置r；
[0010]步骤四，在步骤三的所有转捩点的径向位置r中，找到最大的转捩点的径向位置r对应的等效粗糙高度Ks，该等效粗糙高度Ks即为旋转圆盘的转速ω下最优的等效粗糙高度Ks；将该最优的等效粗糙高度Ks设置为所述二维旋转轴对称模型的参数后，进行后续的旋转圆盘表面流场分析，可模拟得到真实的旋转圆盘表面的流动特性。
[0011]进一步的，在步骤四之后，改变旋转圆盘的转速ω，重复步骤二至步骤四，得到不同等效粗糙高度、不同转速的旋转圆盘表面流动特性，并确定了不同旋转圆盘的转速ω下的边界层转捩点的径向位置。
[0012]进一步的，在步骤一至步骤三中，采用FLUENT仿真软件对旋转圆盘及其周围的流
场进行建模及仿真。
[0013]进一步的，在步骤一中，对所述二维旋转轴对称模型进行网格划分，并对所述旋转圆盘所在区域的网格进行加密处理。
[0014]进一步的，在步骤二中的流边界层的转捩点的径向位置r处，在所述转捩点的径向位置r一侧的流体流动的湍流强度部分高于1％，而所述转捩点的径向位置r另一侧的流体流动的湍流强度均低于1％。
[0015]进一步的，在步骤三中，分析等效粗糙高度Ks与转捩点的径向位置r之间的关系；即随着Ks的增大，转捩点的径向位置r逐渐增大，但当Ks增大到一定程度，转捩点的径向位置r逐渐减小，因此存在一个最大的转捩点的径向位置。
[0016]有益效果：
[0017](1)本专利技术采用了等效粗糙高度来模拟圆盘表面的不光滑情况，即采用了更具普适意义的等效粗糙度进行了仿真分析，完善了粗糙度形式对流动影响的研究，可行性强，相较于其他减阻降噪的方法，更容易在工程应用上实现(即在物体表面均匀喷涂颗粒或将表面打磨成一定粗糙度)，降低了生产制造的成本，完善了粗糙高度对边界层转捩影响的研究，适当的粗糙表面有助于维持表面流场的稳定，利用得当的话甚至可以实现减租降噪的效果；同时，本专利技术通过计算流体力学方法研究不光滑旋转圆盘表面流场边界层转捩现象，分析了确定转捩点的方法，可以快速的得到固定转速下对应的最优的等效粗糙度。
[0018](2)本专利技术可以得到不同等效粗糙高度、不同转速的圆盘表面流动特性，并确定了边界层转捩点位置，通过对比转捩点位置、粗糙高度以及转速之间的关系，得到一定转速下对应的最优粗糙高度。
[0019](3)本专利技术使用上手较容易的FLUENT作为仿真软件，方便大多数人进行仿真研究。
[0020](4)本专利技术对所述旋转圆盘所在区域的网格进行加密处理，在计算边界层相关问题时，能够较为真实的还原二维旋转轴对称模型的边界层(即二维旋转轴对称模型的旋转圆盘)的内部流动变化。
[0021](5)本专利技术以湍流强度为1％作为标准来确定转捩点的径向位置，便于实现和操作。
[0022](6)本专利技术分析等效粗糙高度Ks与转捩点的径向位置r之间的关系，便于找到最大的转捩点的径向位置。
附图说明
[0023]图1为本专利技术的计算域及边界条件；
[0024]图2为等效粗糙高度示意图；
[0025]图3为本实施例的湍流强度云图；
[0026]图4为本实施例的旋转圆盘表面径向速度
‑
径向位置关系图；
[0027]图5为图4的局部放大图；
[0028]图6为本实施例的旋转圆盘表面轴向速度
‑
径向位置关系图；
[0029]图7为图5的局部放大图；
[0030]图8为等效粗糙高度Ks与转捩点的径向位置r关系图；
[0031]图9为边界层转捩示意图；
[0032]其中，1
‑
旋转圆盘，2
‑
旋转中心轴，3
‑
对称面，4
‑
压力出口。
具体实施方式
[0033]下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。
[0034]本实施例提供了一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法，具体步骤如下：
[0035]步骤一，通过FLUENT仿真软件对待进行表面流场分析的旋转圆盘及其周围的流场进行建模，考虑几何对称性和边界条件，将所述旋转圆盘及其周围的流场的模型简化为二维旋转轴对称模型；
[0036]并对所述二维旋转轴对称模型进行网格划分，在计算边界层相关问题时，为了较为真实的还原二维旋转轴对称模型的边界层(即二维旋转轴对称模型的旋转圆盘1)的内部流动变化，因此需要对所述旋转圆盘1所在区域的网格进行加密处理，如图1所示；
[0037]步骤二，通过FLUENT仿真软件对所述二维旋转轴对称模型进行仿真环境的选择和边界条件的设置；
[0038]所述仿真环境的选择为：仿真设置为2D Space Axisymmetric Swirl，采用4方程的Transition SST模型，以定常压力基求解器的coupled算法进行数值求解，分别对压力、力矩以及角速度采用二阶离散格式；
[0039]参见附图1，所述边界条件的设置为：在仿真软件内将旋转圆盘1定义成Wall(即图1矩形的下底边)，将旋转圆盘1的旋转中心轴2定义为Axis(即图1矩形的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤一，对待进行表面流场分析的旋转圆盘及其周围的流场进行建模，形成二维旋转轴对称模型，并设置所述二维旋转轴对称模型的边界条件及设置旋转圆盘的转速ω及等效粗糙高度Ks；步骤二，对所述二维旋转轴对称模型进行仿真计算，得到旋转圆盘表面流场的湍流强度，并找到在步骤一设置的旋转圆盘的转速ω及等效粗糙高度Ks条件下的旋转圆盘的流边界层的转捩点的径向位置r；步骤三，旋转圆盘的转速ω不变，设置不同的等效粗糙高度Ks后，重复步骤二，得到在旋转圆盘的转速ω下，不同的等效粗糙高度Ks对应的转捩点的径向位置r；步骤四，在步骤三的所有转捩点的径向位置r中，找到最大的转捩点的径向位置r对应的等效粗糙高度Ks，该等效粗糙高度Ks即为旋转圆盘的转速ω下最优的等效粗糙高度Ks；将该最优的等效粗糙高度Ks设置为所述二维旋转轴对称模型的参数后，进行后续的旋转圆盘表面流场分析，可模拟得到真实的旋转圆盘表面的流动特性。2.如权利要求1所述的一种基于广义粗糙度的旋转圆盘表面等效建模方法，其特征在于，在步骤四之后，改变旋转圆盘的转速ω，重复步骤二至步骤四，得...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱泓郡，王文杰，赵旭，姜毅，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：