基于CFD技術的脊狀表面湍流流場特性研究

劉占一，宋保維，黃橋高，胡海豹

(西北工業大學航海學院，陜西西安 710072)

0 引言

源自于鯊魚皮的脊狀表面減阻技術已被人們成功應用于石油輸運、航空、航海、泳衣制造等廣大的領域。人們對脊狀表面的研究逐漸深入，在通過改變脊狀結構形狀尺寸以追求減阻效果最大化的同時，對脊狀表面減阻機理的研究也從來沒有停止過。

美國航空航天局蘭利研究中心的Walsh是最早開始系統研究脊狀表面的學者之一，他通過大量的風洞試驗得出結論:在脊狀結構無量綱尺寸小于30時，脊狀表面存在減阻效果;脊狀結構附近形成的“二次渦”與流向渦的相互作用是脊狀表面減阻的重要原因［1－2］。日本的Yuji Suzuki利用三維粒子測速設備在水洞進行了脊狀表面減阻試驗，發現脊狀結構能抑制順流向的能量向法向和展向轉化，從而實現減阻［3］，而El-Samni也通過對矩形管道進行的數值模擬研究得到了類似的結論［4］。Haecheon Choi等利用直接數值模擬方法發現:脊狀結構無量綱尺寸小于20時，由于流向渦尺寸大約在30左右，無法深入脊狀結構，只能停留于脊狀結構頂部，因此脊狀結構內(除頂部區域)流動較為安靜，壁面剪應力相比光滑表面減小了［5］。本文對一系列表面布置不同尺寸順流向脊狀結構的表面利用CFD方法進行了湍流狀態下的數值模擬，并對脊狀表面湍流流場特性進行了分析。

1 基于CFD技術的計算方法

本文選取的是一段三維的計算域，如圖1所示。

圖1 計算域Fig.1 Computation region

計算域底面沿x方向分為兩段，前段為平板，作為發展段，后段為測試段，用來對比研究脊狀表面和光滑表面。……