一种仿沙垄分级减阻双层微肋条结构

1.本发明涉及到流体动力学表面减阻技术领域，尤其是涉及仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，提升微肋条结构减阻性能的技术。


背景技术：

2.近年随着航空工业的发展，尤其是国产大飞机工程对大承载、长航程、低油耗等性能需求，对减阻技术提出更高的要求。气动外形优化、表面修形和自身轻量化等多种减阻技术手段已日趋成熟，其带来减阻提升处于瓶颈阶段。
3.对于大飞机减阻而言，靠近飞机表面的湍流边界层内部的流动阻滞是摩擦阻力的主要来源。减小摩擦阻力一直是非常重要和关键的减阻难题，通过改变大飞机表面的微观结构实现湍流减阻为解决减阻问题提供一个全新的思路。lee等人提出了微肋条减阻结束的主要原理是：改变表面微结构实现对边界层内部流动的控制，稳定抬升控制湍流边界层内部流向涡旋，提高近壁面流动的稳定性以减少壁面附近湍流边界层内涡结构与壁面的动量交换，减小流动阻滞，从而降低表面摩擦阻力。
4.近年来国内外学者对其进行了广泛的研究。以专利公开号cn106585949a名称为《一种仿生鲨鱼皮减阻结构》和专利公开号cn105644770b名称为《一种仿鲨鱼皮的减阻机翼的减阻方法》为代表的一系列专利，其源于鲨鱼皮仿生研究的微肋条减阻技术被学术界认为是很有前景的方案，具有巨大的工程应用潜力。据估算巡航过程中大飞机50％的摩擦阻力来源于表面摩擦阻力，但是前人研究的基于鲨鱼皮的微肋条减阻技术其减阻结构较为简单，提供的减阻率有限，实际应用需要更大的减阻效率，而湍流边界层内部流动是一种多尺度涡结构的复杂流动，从微肋条减阻原理上看，以简单的微肋条结构控制复杂的湍流流动，无法对更多尺度的湍流涡结构进行控制，限制了其减阻性能。因此，微肋条减阻技术的潜力有待挖掘，其减阻性能有待进一步提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对现有微肋条结构单一带来的减阻性能的不足，为了提升其减阻性能，从自然界具有较好的减阻形貌的沙垄出发，经过大量筛选调研后，提出一种仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，相对现有的微肋条结构能更有效地降低流动阻力。
6.本发明提出的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，包括(a)主级减阻微肋条结构(b)次级减阻微肋条结构。主级减阻微肋条结构排布于材料基底层上，次级微减阻肋条结构置于主级减阻微肋条结构之间，每对主级减阻微肋条结构之间置有一对次级微肋条结构。依次阵列排布，形成所述的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构。
7.具体的,所述的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的排列方式可以是连续的，如图1所示；且可以在流动方向振荡连续排布，如图4所示；也可以是有间隙的，间隙的排列可以是在一条直线和不在一条直线上，如图5和图6所示。
8.具体的，所述的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构为无量纲
高度为h
+
和无量纲宽度为t
+
的微肋条结构，其结构形状不限，所有结构沿着流向方向平行，结构之间的无量纲间距为s
+
。其中：
[0009][0010][0011][0012]
其中，是湍流中的粘性尺度；u
τ
为壁面摩擦速度；τ是壁面剪切应力，需要实际流动工况进行确定；ρ是流体介质密度；υ为运动粘度。较好减阻性能微肋条结构一般要求s
+
在15到18之间，约为流向涡旋平均尺寸d
m+
(平均约为30个粘性尺度，据robinson述流向涡的直径范围为5～115个粘性尺度)的1/2到2/3，高宽比h
+
/s
+
＝0.5，宽度t
+
越小，减阻性能越好。这样每对主级减阻微肋条结构在湍流边界层内部形成对湍流涡结构稳定的抬升控制效果，使得大多数湍流涡结构不会因其运动而侵入主级减阻微肋条结构之间与壁面作用发生动量交换而导致流动阻滞，形成主级减阻效果。
[0013]
具体的，所述的无量纲尺寸是为了统一在不同流动工况下的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的尺寸而规定的，当仿沙垄分级减阻双层微肋条结构在不同的流动工况或不同的雷诺数下进行对流动控制时，需求出当前流动工况下的湍流粘性尺度，再根据实际的无量纲尺寸s
+
、h
+
和t
+
等进行实际尺寸的换算，所示上标+即是使用湍流粘性尺度进行了无量纲化。一般在飞机等大雷诺数和超小粘性尺度的流动工况下，仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的实际尺寸在几十微米到几百微米内。
[0014]
次级减阻微肋条结构为无量纲高度为h
0+
和无量纲宽度为t
0+
的结构，其结构形状不限，结构沿着流向方向平行，结构之间的无量纲间距为s
0+
。由于湍流边界层内部的涡结构尺寸是个变化的过程，湍流涡结构能量在大大小小的涡旋中传递，形成能量级串的过程，大涡的能量耗散形成小涡，因此存在小于主级减阻微肋条结构无量纲间距s
+
的湍流涡结构侵入主级减阻微肋条结构之间，位于主级减阻微肋条结构之间的次级减阻微结构形成与主级减阻微结构相同的稳定抬升控制流向涡旋以减阻的效果，从而抬升控制小尺寸d
0+
(湍流结构最小耗散尺度《d
0+
《s
+
)的流向涡旋。最终形成仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，如图1所示。
[0015]
优选的，仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构无量纲尺寸s
+
≈18，h
+
/s
+
＝0.5，t
+
＝0.14s
+
，次级减阻微肋条结构的无量纲间距s
0+
为1/2～2/3s
+
，无量纲高度h
0+
为1/2s
0+
，无量纲宽度t
0+
小于等于1/2t
+
。
[0016]
与现有微肋条减阻技术相比，本发明的有益效果是：
[0017]
当湍流边界层内部的来流经过仿沙垄分级减阻双层微肋条结构时，尺寸较大的湍流涡结构被成对的主级减阻微肋条结构稳定抬升控制，防止与壁面发生较多的动量交换。随着湍流涡结构的运动和能量的传输，会耗散成直径较小的湍流涡结构侵入到主级减阻微肋条结构之间，这时位于主级减阻微肋条结构之间的成对次级减阻微肋条结构发挥作用，稳定抬升控制尺寸较小的湍流涡结构，防止较小的湍流涡结构与壁面发生较多的动量交换，相比于前人研究的仿鲨鱼微肋条结构，进一步提高了对湍流边界层内部涡结构的控制。
如图2所示，湍流边界层内涡结构尺寸连续变化，且内部还有许多小涡结构，仿沙垄分级减阻双层微肋条结构稳定控制各尺度湍流涡结构，较大程度减小湍流涡结构与壁面的动量交换，降低对内部流动的阻滞，减小摩擦阻力。
附图说明
[0018]
图1是仿沙垄分级减阻双层微肋条结构减阻机理示意图
[0019]
图2是仿沙垄分级减阻双层微肋条结构稳定控制涡结构示意图
[0020]
图3是具体实施案例1仿沙垄分级减阻双层微肋条结构示意图
[0021]
图4是具体实施案例2仿沙垄分级减阻双层微肋条结构示意图
[0022]
图5、6是具体实施案例3仿沙垄分级减阻双层微肋条结构示意图
具体实施方案
[0023]
下列实施例进一步描述和证明了本发明范围内的优选实施方案。所给的这些实施案例仅仅是说明性的,不可理解为是对本发明的限制。
[0024]
具体实施案例1：
[0025]
仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构尺寸s＝140μm，h＝70μm，t＝20μm和s0＝70μm，h0＝35μm，t0＝10μm。主级减阻微肋条结构与次级减阻微肋条结构都是连续排布。仿沙垄分级减阻双层微肋条结构和基底材料层均以硅基材料制成，基底材料层上表面为光滑平面，如图3所示。在湍流粘性尺度7.6μm的流动工况时，仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构对应的无量纲尺寸s
+
＝18.4，h
+
＝9.2，t
+
＝2.62。次级减阻微肋条尺寸为s
0+
＝9.2，h
0+
＝4.6，t
0+
＝1.31。经测试分析得到，此具体实施案例仿沙垄分级减阻双层微肋条结构较传统微肋条结构提升86.66％的减阻效果。
[0026]
具体实施案例2：
[0027]
仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构尺寸s＝140μm，h＝70μm，t＝20μm和s0＝70μm，h0＝35μm，t0＝10μm。主级减阻微肋条结构与次级减阻微肋条结构都是连续排布，但都是以一定振幅振荡地沿着流动方向。仿沙垄分级减阻双层微肋条结构和基底材料层均以uv胶(紫外光固化胶)材料制成，基底材料层上表面为光滑平面，如图4所示。在湍流粘性尺度8.3μm的流动工况时，仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构对应的无量纲尺寸s
+
＝16.9，h
+
＝8.5，t
+
＝2.4。次级减阻微肋条尺寸为s
0+
＝8.5，h
0+
＝4.3，t
0+
＝1.2。经测试分析得到，此具体实施案例仿沙垄分级减阻双层微肋条结构较传统以一定振幅振荡的微肋条结构提升87.70％的减阻效果。
[0028]
具体实施案例3：
[0029]
仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构尺寸s＝140μm，h＝70μm，t＝20μm和s0＝70μm，h0＝35μm，t0＝10μm。主级减阻微肋条结构与次级减阻微肋条结构都是间断排布，间断的间隙排列在一条直线上或不在一条直线上。仿沙垄分级减阻双层微肋条结构和基底材料层均以pdms(聚二甲基硅氧烷)材料制成，基底材料层上表面为光滑平面，如图5、6所示。在湍流粘性尺度9.1μm的流动工况时，仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构对应的无量纲尺寸s
+
＝15.5，h
+
＝7.7，t
+
＝2.2。次级减阻微肋条尺寸为s
0+
＝7.7，h
0+
＝3.8，t
0+
＝1.1。经测试分析得到，此具体实施案例仿沙垄分级减阻双层微肋
条结构较传统以一定振幅振荡的微肋条结构提升90.45％的减阻效果。

技术特征：
1.一种仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，其特征在于，包括(a)主级减阻微肋条结构(b)次级减阻微肋条结构；主级减阻微肋条结构排布于材料基底层上，次级减阻微肋条结构置于主级减阻微肋条结构之间，每对主级减阻微肋条结构之间置有一对次级微肋条结构；所述主级减阻微肋条结构和次级减阻微肋条结构依次阵列排布，形成所述的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构；所述的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的排列方式为以下之一：直线形连续排布，或者在流动方向振荡连续排布，或者是有间隙的排列；所述的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构的主级减阻微肋条结构为无量纲高度为h
+
和无量纲宽度为t
+
的微肋条结构，所有结构沿着流向方向平行，结构之间的无量纲间距为s
+
；其中：中：中：其中，ν/u
τ
是湍流中的粘性尺度；u
τ
为壁面摩擦速度；τ是壁面剪切应力，ρ是流体介质密度；υ为运动粘度，h为主级减阻微肋条结构的实际高度，t为主级减阻微肋条结构的实际宽度，s为主级减阻微肋条结构的实际间距；s
+
在15到18之间；次级减阻微肋条结构为无量纲高度为h
0+
和无量纲宽度为t
0+
的结构，结构之间的无量纲间距为s
0+
，其定义依主级减阻微肋条结构定义类推；各参数关系满足：次级减阻微肋条结构的无量纲间距s
0+
为1/2～2/3s
+
，无量纲高度h
0+
为1/2s
0+
，无量纲宽度t
0+
小于等于1/2t
+
。2.一种如权利要求1所述的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，其特征在于，所述主级减阻微肋条结构无量纲尺寸s
+
为18，高宽比h
+
/s
+
＝0.5，t
+
＝0.14s
+
。

技术总结
本发明公开了一种仿沙垄分级减阻双层微肋条结构,涉及到流体动力学表面减阻技术领域。本发明提出的仿沙垄分级减阻双层微肋条结构，包括依次阵列排布的主级减阻微肋条结构和次级减阻微肋条结构。主级减阻微肋条结构排布于材料基底层上，次级微减阻肋条结构置于主级减阻微肋条结构之间，每对主级减阻微肋条结构之间置有一对次级微肋条结构。湍流边界层内涡结构尺寸连续变化，且内部还有许多小涡结构，仿沙垄分级减阻双层微肋条结构稳定控制各尺度湍流涡结构，较大程度减小湍流涡结构与壁面的动量交换，降低对内部流动的阻滞，减小摩擦阻力。阻力。阻力。


技术研发人员：苑伟政 欧召阳 周子丹 张照 吕湘连 何洋
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.01.16
技术公布日：2023/5/24