沟槽面湍流减阻数值评估方法.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252017V01．38No．4SSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：Hhkxbbuaa．edu．onhkxb@buaa．edu．cn沟槽面湍流减阻数值评估方法周健1，欧平1’*，刘沛清2，郭昊21．中国航天空气动力技术研究院，北京1000742．北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100083摘要：为解决雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法模拟沟槽面减阻的实际应用问题，受Wilcox对粗糙度模化方法的启发，通过深入分析}m剪切应力输运(SST)湍流模型近壁区“值

2、的作用效果，发现在黏性底层内增加壁面“值可使对应近壁区的湍动能、湍流黏度、雷诺应力均减小，这种对近壁区流动特性的作用效果与真实沟槽面一致。以经典的对称V型沟槽面(高度一间距)减阻实验数据为基础，通过引入减阻效果影响因子——压力梯度与偏航角，建立复杂流动条件下沟槽面几何尺寸到壁面。值的模化函数方程，将数值模拟结果与实验结果对比，验证了模化沟槽面可以达到与真实沟槽面相同的减阻效果，并依此给出沟槽面减阻在工程实践中的应用方法，以C919翼身组合体巡航构型为例，完成其沟槽面减阻的总体设计与评估。关键词：沟槽面；湍流减阻；肛。剪切应力输运；模化函数；数值模拟中图分类号：V211；0357．5；

3、TK89文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)04—120263—12自从20世纪70年代NASA兰利研究中心发现具有顺流向微小沟槽的表面能有效地降低壁面摩阻，突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式以后，沟槽面减阻一直是湍流减阻技术中的研究焦点。Walsh等最先开展了平板沟槽面湍流减阻的研究口’4]，天平测力结果表明最佳的减阻构型是一种对称V型沟槽面，当其高度h和间距5的无量纲尺寸为h+≤25和s+≤30时具有减阻特性，减阻效果最佳时沟槽面的尺寸为h+一s+一15。对于压力梯度影响的研究，Debisschop和Nieuwstadt[s]研究了逆压梯度对平板沟槽面的影响

4、，得到了13％的减阻效果，比相应的零压梯度情形多减阻7％；Sundaram等[61对0。～6。迎角NACA0012翼型的沟槽面减阻研究表明，减阻效果随迎角的增加而增加，最大减阻值达到13％。对于亚声速流动，Viswanath和Mukund[73对ADA—S1超临界翼型在马赫数0．70～0．76进行沟槽面减阻实验研究，得到了最大12％的减阻效果，且主要体现在翼型背风面。空中客车公司在A320试验机70％的表面贴上沟槽面薄膜，获得了节油1％～2％的效果邱]。国内对沟槽面减阻的研究相对较晚[9]，北京航空航天大学的兰世隆和王晋军[1叨通过LDV技术对比了沟槽面及光滑面湍流边界层流速和湍流度

5、分布，结果表明：与光滑面相比，沟槽面湍流边界层时均流速分布对数律公式中具有较大的常数C值，且近壁区沟槽面湍流度最大值较小，出现的位置距壁面较远。华南理工大学的黄德斌等[1妇通过数值方法对比了V型沟槽面和T型沟槽面的减阻性能，最高达到9％的减阻效果，与Walsh等[1。4]早期对平板沟槽收稿日期：2016—03—25；退修日期：2016一09-20；录用日期：2016．09．26；网络出版时间：2016．09．2809：27网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．201609280927．004．html*通讯作者．E-mail：caaaop@1

6、63com引用格武：蜀健。欧平．舟J沛清．等．沟槽面湍流减阻数值评估方法￡J]．航空学报。2017。38(4)：120263．ZHOUJ．OUP．L

7、uPQ．era1．NumericalevaluationmethodofturbulencedragreductionwithribletsEJJ．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(4)：120263。120263．1航空学报面的减阻效果相一致。沟槽面减阻作为最热的减阻技术之一，虽被国内外学者广泛研究，但在这项技术的工程应用进展上，仍存在一些关键性问题。首先，目前能对湍流结构做出精确

8、预测的数值方法只有直接数值模拟(DNS)和大涡模拟(LES)，这两种方法多用于沟槽面减阻机理的探讨，并且都是在小尺度、低雷诺数和简单流动下进行的，对于高雷诺数和复杂几何外形的实际应用问题，两种方法都无能为力；其次，由于数值模拟的局限性，使得实验研究带有一定的盲目性，且沟槽面减阻的效果表现在数值上是一个很小的量级，只有高精度的实验仪器才能测得较为准确的数据，这使得实验成本大大增加。1970年，SaffmanLl2]通过对融叫系列湍流模型研究发现，壁面边界上的