一种凹坑微结构的减阻参数优化方法、系统及存储介质技术方案

本发明专利技术公开了一种凹坑微结构的减阻参数优化方法、系统及存储介质，该方法包括：绘制光滑工作表面模型并确定仿真计算域；计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F

【技术实现步骤摘要】
一种凹坑微结构的减阻参数优化方法、系统及存储介质


[0001]本专利技术涉及仿生学
，特别涉及一种凹坑微结构的减阻参数优化方法、系统及存储介质。

技术介绍

[0002]过去人们一直热为，物体的表面越光滑，其运动时受到的阻力就会越小，物体的表面越粗糙，其运动时受到的阻力就会越大。然而，经过人们的研究，发现在海洋中生活的成千上万的鱼类表面上往往具有一定规律的凹凸不平的鳞片，学着门从鲨鱼出发进行了鲨鱼鳞片的放生研究，逐渐发展出了非光滑表面减阻技术。经过科研人员几十年的研究，发现非光滑结构能为水下航行器带来减阻效果。
[0003]目前，用于航行器的微结构减阻主要为沟槽状微结构，这种结构的主要尺寸参数为沟槽深度h与沟槽间距s，形状包括V形、U形等，如图1所示。
[0004]这种形状的微型沟槽需要满足以下尺寸条件才能实现减阻效果：
[0005][0006][0007]其中s与h分别为沟槽宽度与深度；U为来流速度；Re为雷诺数；v为流体运动粘性系数。
[0008]一、相对速度变化导致阻力增大：
[0009]沟槽结构的尺寸确定后需要加工在航行器表面上，尺寸难以改变，而在实际使用时，带有沟槽结构的航行器运动时与来流的相对速度不是固定的，因此，无量纲数s+与h+也不是固定的，在相对速度变化范围较大(如相对速度从1m/s增加到5m/s)的情况下，沟槽结构的减阻效果会降低，在因速度变化导致的无量纲数数值超出可减阻的数值范围，过大或过小时，都会会造成增阻效果。减阻率与无量纲尺寸S+的关系如图2所示，图2中纵轴方向大于0的部分为阻力增加。
[0010]二、来流方向夹角导致阻力增大：
[0011]沟槽微结构的减阻效果主要体现在与来流方向平行时，在与来流方向不平行，有一定夹角时减阻效果会降低，运动方向与来流方向偏角过大时会出现增加阻力的效果。
[0012]定义偏角β为流体流向与沟槽槽道方向的夹角。
[0013]有研究证明它降低沟槽表面的减阻效果在偏角β大于30
°
时沟槽表面反而使阻力增加；仅当β不大于15
°
时,仍可以起到减阻效果。来流偏角对减阻效果的影响示意图如图3所示。

技术实现思路

[0014]本专利技术的主要目的在于提出一种凹坑微结构的减阻参数优化方法、系统及存储介质，旨在解决来流速度与来流角度对减阻效果的负面影响。
[0015]为实现上述目的，本专利技术提供了一种凹坑微结构的减阻参数优化方法，所述方法包括以下步骤：
[0016]步骤S10，采用三维绘图软件绘制光滑工作表面模型并确定仿真计算域；
[0017]步骤S20，采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
；
[0018]步骤S30，在工作表面布置凹坑状的减阻微结构；
[0019]步骤S40，使用ansys方法分析计算获得带有凹坑状的减阻微结构的工作表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
rough
；
[0020]步骤S50，采用ansys方法计算带有凹坑状的减阻微结构的工作表面的减阻率；
[0021]步骤S60，修改所述凹坑状的减阻微结构的尺寸参数，重复所述步骤S40、步骤S50，计算多组数据，采用响应面分析法将获得的多组数据综合分析，得到拟合曲面，获得理论减阻效果最佳的尺寸参数；
[0022]步骤S70，采用所述最佳的尺寸参数进行微结构的设计，并应用到工作表面。
[0023]优选地，所述步骤S10，采用三维绘图软件绘制光滑工作表面模型并确定仿真计算域的步骤中，计算区域长度根据所述光滑工作表面模型长度估算，取10倍作为长度，其中，区域长度为平行来流方向；计算区域宽度与高度根
[0024]据最大边界层厚度计算，其中，最大边界厚度取10倍边界层厚度作为高度。
[0025]优选地，所述步骤S20，采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
的步骤包括：
[0026]将所述光滑工作表面模型进行细节简化，导出简化模型并划分网格，其中，所述仿真计算域的网格划分需在靠近需对表面附近的网格进行加密，并进行网格无关性验证，即网格数量增大一倍后，计算结果变化不明显。
[0027]优选地，所述步骤S20中，在采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
时认为流场为稳定的定常不可压流场。
[0028]优选地，所述步骤S20，采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
的步骤还包括：
[0029]将理论工作表面总摩擦阻力系数与计算得到的摩擦阻力系数进行对比，如果误差小于预设阈值，则说明计算可靠，其中，计算摩擦阻力系数的公式为：
[0030][0031]式中C
f
为表面阻力系数，F
wall
为表面受到的摩擦阻力，ρ为所处流体介质的密度，u
∞
为无穷远处的来流速度，B为表面宽度，L为表面长度，Re
L
为平板表面最长处计算得到的雷诺数。
[0032]优选地，所述带有凹坑状的减阻微结构为圆柱形凹坑或球形凹坑。
[0033]优选地，所述采用ansys方法计算带有凹坑状的减阻微结构的工作表面的减阻率所采用的公式为：
[0034]η＝(F
Wall
‑
smooth
‑
F
Wall
‑
rough
)/F
Wall
‑
smooth
；
[0035]其中，F
Wall
‑
smooth
为光滑工作表面的表面摩擦阻力；F
Wall
‑
rough
为带有凹坑状的减阻微结构的工作表面的表面摩擦阻力。
[0036]为实现上述目的，本专利技术还提出一种凹坑微结构的减阻参数优化系统，所述系统包括存储器、处理器，以及存储在所述处理器上的凹坑微结构的减阻参数优化程序，所述凹坑微结构的减阻参数优化程序被所述处理器运行时执行以下步骤：
[0037]步骤S10，采用三维绘图软件绘制光滑工作表面模型并确定仿真计算域；
[0038]步骤S20，采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
；
[0039]步骤S30，在工作表面布置凹坑状的减阻微结构；
[0040]步骤S40，使用ansys方法分析计算获得带有凹坑状的减阻微结构的工作表面在预定工作状况下的表本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种凹坑微结构的减阻参数优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤S10，采用三维绘图软件绘制光滑工作表面模型并确定仿真计算域；步骤S20，采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
；步骤S30，在工作表面布置凹坑状的减阻微结构；步骤S40，使用ansys方法分析计算获得带有凹坑状的减阻微结构的工作表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
rough
；步骤S50，采用ansys方法计算带有凹坑状的减阻微结构的工作表面的减阻率；步骤S60，修改所述凹坑状的减阻微结构的尺寸参数，重复所述步骤S40、步骤S50，计算多组数据，采用响应面分析法将获得的多组数据综合分析，得到拟合曲面，获得理论减阻效果最佳的尺寸参数；步骤S70，采用所述最佳的尺寸参数进行微结构的设计，并应用到工作表面。2.根据权利要求1所述的凹坑微结构的减阻参数优化方法，其特征在于，所述步骤S10，采用三维绘图软件绘制光滑工作表面模型并确定仿真计算域的步骤中，计算区域长度根据所述光滑工作表面模型长度估算，取10倍作为长度，其中，区域长度为平行来流方向；计算区域宽度与高度根据最大边界层厚度计算，其中，最大边界厚度取10倍边界层厚度作为高度。3.根据权利要求2所述的凹坑微结构的减阻参数优化方法，其特征在于，所述步骤S20，采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
的步骤包括：将所述光滑工作表面模型进行细节简化，导出简化模型并划分网格，其中，所述仿真计算域的网格划分需在靠近需对表面附近的网格进行加密，并进行网格无关性验证，即网格数量增大一倍后，计算结果变化不明显。4.根据权利要求3所述的凹坑微结构的减阻参数优化方法，其特征在于，所述步骤S20中，在采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
时认为流场为稳定的定常不可压流场。5.根据权利要求4所述的凹坑微结构的减阻参数优化方法，其特征在于，所述步骤S20，采用ansys方法计算分析获得光滑表面在预定工作状况下的表面摩擦阻力F
Wall
‑
smooth
的步骤还包括：将理论工作表面总摩擦阻力系数与计算得到的摩擦阻力系数进行对比，如果误差小于预设阈值，则说明计算可靠，其中，计算摩擦阻力系数的公式为：式中C
f
为表面阻力系数，F
wall
为表面受到的摩擦阻力，ρ为所处流体介质的密度，u
∞
...

【专利技术属性】
技术研发人员：邰警锋，
申请(专利权)人：深圳技师学院深圳高级技工学校，
类型：发明
国别省市：