湍流状态下超疏水微通道阻力特性仿真研究
发布时间：2021-03-07 00:50
采用VOF模型和Realizable k-ε模型对具有纵向和横向微结构的超疏水微通道在湍流下的流场进行了三维数值仿真,分析结构参数对超疏水表面阻力特性的影响。研究表明:含纵向微槽的超疏水微通道具有显著的减阻作用;随自由剪切面积比和微通道宽度增加,压降比提高,平均摩擦因子降低,减阻效果显著;随微通道高度增加,压降比减小,平均摩擦因子增大;压降比和平均摩擦因子受微槽深度影响不明显;具有横向微槽的超疏水微通道则增阻,选取合适的微槽方向是控制微通道减阻效果的的重要方面。
【文章来源】：系统仿真学报. 2019,31(10)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
纵向微槽超疏水微通道模型示意图Fig.1Theschematicofmodelofsuperhydrophobic
第31卷第10期系统仿真学报Vol.31No.102019年10月JournalofSystemSimulationOct.,2019http:∥www.china-simulation.com2140角度考虑，文中选用404万网格数。图2y-z截面网格Fig.2Thegridsofy-zsection表1网格无关性验证Tab.1Thegridindependentverification网格数/万314344374404434压降偏差/%2.561.531.330.320控制方程为连续方程和雷诺时均方程：0iiux(1)2(-)iijiijupuuutxx(2)在计算域中，yoz平面上沿x方向分别为速度入口和压力出口，且出口压力恒定为大气压。由于Realizablek-ε湍流模型在求解包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动等方面具有较高精度，故湍流模型采用Realizablek-ε模型，壁面附近采用标准壁面函数法[23]。速度和压力采用SIMPLE耦合，动量方程和湍流粘性系数等采用二阶迎风格式离散，收敛条件为各参数的残差低于10–6。由于超疏水表面微观结构处气-液界面的曲率十分微小[7]，假定气-液界面为一平面。对于两相流的求解选择VOF模型，初始化时，假定流场已达到稳态，微槽内为空气，其余区域为水。在计算单元的每个控制体积内，所有相和为1，如果空气和水的体积分数定义为a和w，则a=1指该控制体积中充满空气；a=0指该控制体积中充满水；0<a<1指该控制体积中空气占有a，水占有1a。在VOF模型中，跟踪相之间的界面是通过求解相的体积分数的连续方程来完成的。对于水相ww+=0tν(3)式中：w为水相的体积分数。每一控制体积内的分相决定着输运方程中的属性。在气液两相流?
第31卷第10期Vol.31No.102019年10月李春曦,等:湍流状态下超疏水微通道阻力特性仿真研究Oct.,2019http:∥www.china-simulation.com2141表面微通道(图4(a))的流场存在相似的速度梯度。图3f随雷诺数Re的变化Fig.3fasafunctionofRe(a)光滑表面微通道在yoz平面速度分布(b)超疏水表面微通道在yoz平面速度分布图4光滑表面与超疏水表面微通道中的速度分布Fig.4Velocitydistributionofsmoothmicrochannelandsuperhydrophobicmicrochannel图5(a)为超疏水表面的气-液界面和固-液界面速度分布。超疏水表面近壁面上的流动明显分为两类：微槽处的滑移流动和微脊上的无滑移流动[20]。流动在这两种界面上有显著差别，微脊上流体不满足滑移边界要求，固-液界面上的速度为零；而微槽处气-液界面速度为一有限值，即存在滑移速度，且速度分布呈近似的对称性。正是由于滑移流动的存在，使流体在流动法向上减小了速度梯度，从而抑制了超疏水表面的湍流脉动，降低了湍流强度和湍动能的耗散，在一定程度上减小了流动阻力，进而实现减阻。(a)近壁面速度分布(b)近壁面剪切应力分布图5壁面处的相应量分布Fig.5Correspondingdistributionnearthewall
【参考文献】：
期刊论文
[1]界面曲率对超疏水微通道减阻的影响[J]. 李春曦,张硕,叶学民. 系统仿真学报. 2018(06)
[2]仿生多尺度超浸润界面材料[J]. 王鹏伟,刘明杰,江雷. 物理学报. 2016(18)
[3]表面张力对疏水微结构表面减阻的影响[J]. 宋保维,任峰,胡海豹,郭云鹤. 物理学报. 2014(05)
[4]超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究[J]. 黄桥高,潘光,宋保维,刘占一,胡海豹. 船舶力学. 2014(Z1)
[5]微结构超疏水表面减阻特性数值研究[J]. 宋保维,郭云鹤,胡海豹,宋东. 计算物理. 2013(01)
[6]超疏水性圆管湍流减阻的数值模拟[J]. 吕田,陈晓玲. 上海交通大学学报. 2009(08)
硕士论文
[1]微纳二级结构超疏水表面湍流减阻机理的TRPIV实验研究[D]. 成璐.天津大学 2014
本文编号：3068110
【文章来源】：系统仿真学报. 2019,31(10)北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
纵向微槽超疏水微通道模型示意图Fig.1Theschematicofmodelofsuperhydrophobic
第31卷第10期系统仿真学报Vol.31No.102019年10月JournalofSystemSimulationOct.,2019http:∥www.china-simulation.com2140角度考虑，文中选用404万网格数。图2y-z截面网格Fig.2Thegridsofy-zsection表1网格无关性验证Tab.1Thegridindependentverification网格数/万314344374404434压降偏差/%2.561.531.330.320控制方程为连续方程和雷诺时均方程：0iiux(1)2(-)iijiijupuuutxx(2)在计算域中，yoz平面上沿x方向分别为速度入口和压力出口，且出口压力恒定为大气压。由于Realizablek-ε湍流模型在求解包含有射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动等方面具有较高精度，故湍流模型采用Realizablek-ε模型，壁面附近采用标准壁面函数法[23]。速度和压力采用SIMPLE耦合，动量方程和湍流粘性系数等采用二阶迎风格式离散，收敛条件为各参数的残差低于10–6。由于超疏水表面微观结构处气-液界面的曲率十分微小[7]，假定气-液界面为一平面。对于两相流的求解选择VOF模型，初始化时，假定流场已达到稳态，微槽内为空气，其余区域为水。在计算单元的每个控制体积内，所有相和为1，如果空气和水的体积分数定义为a和w，则a=1指该控制体积中充满空气；a=0指该控制体积中充满水；0<a<1指该控制体积中空气占有a，水占有1a。在VOF模型中，跟踪相之间的界面是通过求解相的体积分数的连续方程来完成的。对于水相ww+=0tν(3)式中：w为水相的体积分数。每一控制体积内的分相决定着输运方程中的属性。在气液两相流?
第31卷第10期Vol.31No.102019年10月李春曦,等:湍流状态下超疏水微通道阻力特性仿真研究Oct.,2019http:∥www.china-simulation.com2141表面微通道(图4(a))的流场存在相似的速度梯度。图3f随雷诺数Re的变化Fig.3fasafunctionofRe(a)光滑表面微通道在yoz平面速度分布(b)超疏水表面微通道在yoz平面速度分布图4光滑表面与超疏水表面微通道中的速度分布Fig.4Velocitydistributionofsmoothmicrochannelandsuperhydrophobicmicrochannel图5(a)为超疏水表面的气-液界面和固-液界面速度分布。超疏水表面近壁面上的流动明显分为两类：微槽处的滑移流动和微脊上的无滑移流动[20]。流动在这两种界面上有显著差别，微脊上流体不满足滑移边界要求，固-液界面上的速度为零；而微槽处气-液界面速度为一有限值，即存在滑移速度，且速度分布呈近似的对称性。正是由于滑移流动的存在，使流体在流动法向上减小了速度梯度，从而抑制了超疏水表面的湍流脉动，降低了湍流强度和湍动能的耗散，在一定程度上减小了流动阻力，进而实现减阻。(a)近壁面速度分布(b)近壁面剪切应力分布图5壁面处的相应量分布Fig.5Correspondingdistributionnearthewall
【参考文献】：
期刊论文
[1]界面曲率对超疏水微通道减阻的影响[J]. 李春曦,张硕,叶学民. 系统仿真学报. 2018(06)
[2]仿生多尺度超浸润界面材料[J]. 王鹏伟,刘明杰,江雷. 物理学报. 2016(18)
[3]表面张力对疏水微结构表面减阻的影响[J]. 宋保维,任峰,胡海豹,郭云鹤. 物理学报. 2014(05)
[4]超疏水表面流场特性及减阻规律的数值仿真研究[J]. 黄桥高,潘光,宋保维,刘占一,胡海豹. 船舶力学. 2014(Z1)
[5]微结构超疏水表面减阻特性数值研究[J]. 宋保维,郭云鹤,胡海豹,宋东. 计算物理. 2013(01)
[6]超疏水性圆管湍流减阻的数值模拟[J]. 吕田,陈晓玲. 上海交通大学学报. 2009(08)
硕士论文
[1]微纳二级结构超疏水表面湍流减阻机理的TRPIV实验研究[D]. 成璐.天津大学 2014
本文编号：3068110
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