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从鲨鱼盾鳞到仿生微沟槽湍流减阻技术

2019-02-15佚名

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鲨鱼作为一种习性凶猛的肉食鱼类,可以在水中以极高的速度游动,如大白鲨最高时速可达43km/h,已经达到了常规动力潜艇的水平。由此,人们往往认为鲨鱼拥有光滑的皮肤,使其具有这种高速游动的能力,因而才能在水中快速穿梭。那么,真实情况是否如此呢?今天我们就一同来探讨真实的“鲨鱼皮”,以及其中蕴含的流体力学知识。

1.真实的“鲨鱼皮”

    实际上,在生物显微镜下,真实的鲨鱼皮看起来非常粗糙,由一种像牙齿一样的盾鳞结构包住。这一违反常识的发现随即吸引了流体力学家们的关注。研究人员相信,鲨鱼体表这种独特的盾鳞结构一定改变了鲨鱼体侧的流场,从而能有效减小流体阻力,降低能量依赖度,使其获得极高游速。大量研究结果也证实了这一结论,并发展了一种仿生微沟槽湍流减阻技术。目前,该技术已广泛应用于各工业领域,用于提高效率、降低能耗。

鲨鱼盾鳞与沟槽结构

图1 鲨鱼盾鳞与沟槽结构

2.流体阻力的产生

    由于流体的粘性作用,物体表面会产生与物面相切的摩擦力,全部摩擦力的合力称为摩擦阻力。而与物面垂直的流场压力的合力则称为压差阻力。在不考虑粘性和没有尾涡的条件下,亚声速流动中的物体的压差阻力为零。而在实际流体中,粘性作用不仅会产生摩擦阻力,而且会使物面压强分布与理想流体中的分布不同,从而产生了压差阻力。对于具有良好流线形的物体,在未发生边界分离的情况下,粘性引起的压差阻力比摩擦阻力小得多。鲨鱼体形拥有明显的流线型特征,游动过程中不容易发生边界层分离,且水中声速远高于空气,鲨鱼难以达到亚声速,可以认为鲨鱼游动过程中主要受到摩擦阻力的影响。

鲨鱼的流线型体形

图2 鲨鱼的流线型体形

    而这里的摩擦阻力,并不是物体与流体间的滑动摩擦阻力,而是静摩擦力。事实上,只要不是疏水表面,流体在物体表面通常是不发生滑移的。虽然这里的摩擦阻力只是物体表面的剪切应力的合力,只与物面上的速度梯度有关,但由于流体的粘性作用,远场自由流与物体之间形成的速度梯度并不是线性的,粘性流体内的流动摩擦会影响物面上的速度梯度从而影响阻力。对于大雷诺数情况,湍流边界层中各种漩涡结构会使流体的动能耗散为内能,从而造成摩擦阻力大幅增加。

边界层示意图

图3 边界层示意图

3.仿生微沟槽湍流减阻技术

    为了降低流动摩阻,科研人员进行了大量的研究,发展出了多种多样的湍流控制技术。前文提到的仿生微沟槽湍流减阻技术便是其中的一种,由NASA兰利研究中心的Walsh在上世纪80年代率先开展了沟槽平板湍流减阻技术的研究。Walsh及其团队发现“V”形沟槽的减阻效果优于其他设计方案,并找到了最优的减阻尺寸,实现了8%的减阻效果。目前,该技术经过几十年的发展,已在各工业领域得到了广泛的应用。

    然而,科学家最新的研究表明,覆盖在壁面上的静止盾鳞在一些情况下反而会增加阻力,鲨鱼盾鳞的实际作用效果也与微沟槽的减阻机理并不一致。从鲨鱼盾鳞发展而来的仿生微沟槽湍流减阻技术很可能只是歪打正着,关于鲨鱼盾鳞的真实作用及其机制还有待于科学家们做出进一步的研究,但在被证实之前,鲨鱼盾鳞结构依然被人们认为是自然界仿生微沟槽湍流减阻技术的典型代表。

4.微沟槽结构仿真技术难点

    过去,关于微沟槽法的研究主要以实验为主,人力、物力投入高,周期长。近年来,随着CFD技术的不断发展,对于微沟槽法的仿真研究也日渐增多,通过CFD方法建立合理模型,可以减少实验次数,高效完成研究工作,CFD软件为微沟槽的研究提供了强有力的工具支持。

静止鲨鱼盾鳞的CFD仿真分析

图4 静止鲨鱼盾鳞的CFD仿真分析

    然而传统CFD方法在处理复杂几何模型时过于繁琐,且难以处理那些较为复杂的沟槽结构,加之,传统的高精度计算方法对网格的依赖度又非常高,这就造成了仿真结果与真实物理现象之间存在偏差。以鲨鱼盾鳞结构为例,其表面的棘突结构导致网格划分十分困难,传统CFD方法不得不对几何进行相应的简化,最终导致了结果失真,而这也正是仿生微沟槽减阻技术发展比较缓慢的原因之一。

5.气体动理学格式

    如今,一种有别于传统CFD方法的新兴计算方法——气体动理学格式(GKS,Gas Kinetic Scheme),正在为解决这类复杂几何模型的仿真问题提供新的思路和途径。该方法以Boltzmann方程作为理论基础,采用有限体积法,通过近似求解分布函数来计算网格单元界面上的数值通量,进而得到下一时刻的流场信息。与传统CFD方法相比,GKS法每个时间步上的物理量计算仅与周围的几层单元有关,时间方向直接显示积分推进,具有良好的局域性,很容易采用并行计算技术。同时,从物理角度而言,GKS法可以在不依靠经验或半经验模型的情况下,较为方便地处理流体与边界之间复杂的相互作用,这对于处理复杂几何模型的CFD问题具有明显优势。

    以上文提到的鲨鱼盾鳞为例,若采用GKS法进行研究,科研人员将不必再对盾鳞棘突结构进行大量而细致的网格划分工作。同时,对于需要改形和参数优化的研究或设计问题,GKS法在节约时间与人力成本方面的优势将更为凸显。目前,这种基于玻尔兹曼方程的分子动力学算法正在被越来越多地应用到实际工程领域,并逐步发展出了一些优秀的流体力学仿真软件,如索辰基于分子动力学的流体仿真软件Aries等。

6.索辰基于分子动力学的流体仿真软件Aries

    索辰的Aries软件采用基于分子动力学的GKS方法,突破了高马赫数局限,擅长处理亚跨超声速气动仿真及激波仿真。同时,软件集成的DSMC方法不依赖于连续性假设,可以对高空稀薄气体实现全Kn数仿真。此外,由于采用了无网格技术,Aries软件只需导入几何模型即可完成计算,且模型不需要简化。采用Aries软件,真正有助于将流体仿真工程师从过去繁琐重复的网格绘制工作中解放出来,让工程师们有更多时间和精力投入到更为重要的设计与分析工作中,同时,丰富的模型细节使得到的计算结果更加贴近真实物理现象。

    目前,Aries软件已在各工业领域得到了广泛的应用。例如,对各类交通工具进行气动和水动力外形设计与优化、气动和水动噪声分析,对全细节飞行器进行大攻角、大分离情况下的瞬态超音速空气动力学仿真分析,以及发动机的散热分析、暖通环控系统的设计与优化等。相信在不久的将来,我们会在越来越多的工业领域中看见Aries软件的身影。

基于索辰Aries软件的大型客机爬升段全细节仿真

图5 基于索辰Aries软件的大型客机爬升段全细节仿真

基于索辰Aries软件的上海航海博物馆台风工况(20m/s)全细节仿真

图6 基于索辰Aries软件的上海航海博物馆台风工况(20m/s)全细节仿真

责任编辑:程玥
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