减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法及系统，方法包括：在同样来流条件和流场环境下，在仅改变壁面形状的情况下分别获取光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力；根据获取的光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力，以及壁面剪切力与壁面摩擦速度之间对应关系，得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式；根据对数律区速度曲线的通用公式、已知的光滑壁面湍流边界层对数律区速度曲线公式以及所述以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式，得到减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线，该方法简单快捷，可用于分析减阻壁面的流场运动以及壁面摩擦阻力减小的原因。擦阻力减小的原因。擦阻力减小的原因。

【技术实现步骤摘要】
减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法及系统


[0001]本专利技术涉及流体力学
，具体涉及一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法及系统。

技术介绍

[0002]湍流边界层是流体力学领域的重要研究对象之一，其广泛存在于各种流动现象中。壁面湍流边界层可分为黏性底层区、过渡区、对数律区、外层区等若干个具有不同流动特征的区域，其中对数律区处于湍流边界层的壁面区，流动处于完全湍流状态，是分析研究湍流运动的重点。
[0003]湍流边界层中由于流体流动而引起的壁面摩擦阻力是造成流体机械能量消耗的主要原因之一，目前研究人员已提出多种类型的减阻壁面用于减小壁面摩擦阻力。准确获得减阻壁面湍流边界层对数律区的速度分布能够有效分析壁面摩擦阻力减小的原因，对于流体机械的减阻增效具有重要意义。
[0004]光滑壁面对数律区的速度曲线已经过大量的实验和计算验证，可以通过固定的经验公式来表示。减阻壁面由于其壁面形状各异，对数律区的速度曲线一般需要通过流场测量装置进行测量得到，流场测量的流程复杂，测量成本高。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术为了解决现有技术存在问题，提供一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法及系统，可以简单快捷的确定减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线，用于分析减阻壁面的流场运动以及壁面摩擦阻力减小的原因。
[0006]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]本专利技术实施例提供一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，包括：
[0008]在同样来流条件和流场环境下，在仅改变壁面形状的情况下分别获取光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力；
[0009]根据获取的光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力，以及壁面剪切力与壁面摩擦速度之间对应关系，得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式；
[0010]根据对数律区速度曲线的通用公式、已知的光滑壁面湍流边界层对数律区速度曲线公式以及所述以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式，得到减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线。
[0011]进一步地，所述同样来流条件和流场环境包括：来流风速、来流湍流度和垂直于来流平面方向的壁面投影面积，并利用相同的摩擦阻力测量装置测量得到光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力。
[0012]进一步地，利用下式计算减阻壁面的减阻率DR：
[0013][0014]其中：
[0015]F
S
＝τ
S
M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0016]F
D
＝τ
D
M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0017]式中，F
S
和F
D
分别为光滑壁面的壁面摩擦阻力和减阻壁面的壁面摩擦阻力，τ
S
和τ
D
分别为光滑壁面和减阻壁面的壁面剪切力，M为垂直于来流平面方向的壁面投影面积；
[0018]根据流体力学理论可知壁面剪切力τ与壁面摩擦速度u
*
之间的关系为：
[0019][0020]式中，ρ为流体密度；
[0021]根据公式(1)、(2)、(3)和(4)得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式：
[0022][0023]式中，u
*S
表示光滑壁面对应的摩擦速度，u
*D
表示减阻壁面对应的摩擦速度。
[0024]进一步地，所述对数律区速度曲线的通用公式为：
[0025][0026]式中，u
+
表示无量纲速度，u
+
＝u/u
*
，其中u为流体速度；K为冯卡门常数；y
+
为无量纲距离，y
+
＝yu
*
/v，其中y为流场离壁面的垂直距离，v为流体的运动粘度；A为经验常数；
[0027]所述光滑壁面湍流边界层对数律区速度曲线公式为：
[0028][0029]式中，K
S
为光滑壁面的冯卡门常数，取值为预设值，A
S
为光滑壁面的经验常数，取值为预设值。
[0030]进一步地，所述减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线为：
[0031][0032]式中，K
D
为减阻壁面的冯卡门常数，其值为未知量；A
D
为减阻壁面的经验常数，其值为未知量；
[0033]根据公式(5)，可得：
[0034][0035]由公式(7)(9)可得：
[0036][0037]根据公式(8)(10)，可知：
[0038][0039]减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线通过以下公式进行计算：
[0040][0041]其中，DR为减阻壁面的减阻率。
[0042]进一步地，光滑壁面的冯卡门常数K
S
取值为0.4，光滑壁面的经验常数A
S
取值为5。
[0043]第二方面，本专利技术实施例提供一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定系统，包括：
[0044]光滑和减阻壁面摩擦阻力获取模块，用于在同样来流条件和流场环境下，在仅改变壁面形状的情况下分别获取光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力；
[0045]减阻率计算公式获取模块，用于根据获取的光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力，以及壁面剪切力与壁面摩擦速度之间对应关系，得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式；
[0046]减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线获取模块，用于根据对数律区速度曲线的通用公式、已知的光滑壁面湍流边界层对数律区速度曲线公式以及所述以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式，得到减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线。
[0047]第三方面，本专利技术实施例提供一种计算机设备，包括：至少一个处理器，以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器，其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器执行本专利技术实施例第一方面任一实施例所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法。
[0048]第四方面，本专利技术实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行本专利技术实施例第一方面任一实施例所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法。
[0049]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0050]本专利技术提供的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法及系统，在同样来流条件和流场环境下，在仅改变壁面形状的情况下分别获取光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力；根据获取的光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力，以及壁面剪切力与壁面摩擦速度之间对应关系，得到以壁面摩擦速度作为变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，包括：在同样来流条件和流场环境下，在仅改变壁面形状的情况下分别获取光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力；根据获取的光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力，以及壁面剪切力与壁面摩擦速度之间对应关系，得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式；根据对数律区速度曲线的通用公式、已知的光滑壁面湍流边界层对数律区速度曲线公式以及所述以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式，得到减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线。2.根据权利要求1所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，所述同样来流条件和流场环境包括：来流风速、来流湍流度和垂直于来流平面方向的壁面投影面积，并利用相同的摩擦阻力测量装置测量得到光滑壁面和减阻壁面的壁面摩擦阻力。3.根据权利要求2所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，利用下式计算减阻壁面的减阻率DR：其中：F
S
＝τ
S
M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)F
D
＝τ
D
M
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)式中，F
S
和F
D
分别为光滑壁面的壁面摩擦阻力和减阻壁面的壁面摩擦阻力，τ
S
和τ
D
分别为光滑壁面和减阻壁面的壁面剪切力，M为垂直于来流平面方向的壁面投影面积；根据流体力学理论可知壁面剪切力τ与壁面摩擦速度u
*
之间的关系为：式中，ρ为流体密度；根据公式(1)、(2)、(3)和(4)得到以壁面摩擦速度作为变量的减阻壁面减阻率计算公式：式中，u
*S
表示光滑壁面对应的摩擦速度，u
*D
表示减阻壁面对应的摩擦速度。4.根据权利要求3所述的减阻壁面湍流边界层对数律区速度曲线的确定方法，其特征在于，所述对数律区速度曲线的通用公式为：式中，u
+
表示无量纲速度，u
+
＝uu
*
，其中u为流体速度；K为冯卡门常数；y
+
为无量纲距离，y
+
＝yu
*
v，其中y为流场离壁面的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张子良，文仁强，张皓，杜梦蛟，王浩，陈圣哲，贾天下，薛兆邦，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：