摘要：本文采用雷诺平均N—S方程和RNG k—ε湍流模型对V型沟槽表面流场进行了数值计算，并把V型沟槽与光滑面进行阻力对比分析。结果表明，V型沟槽具有一定的减阻效果， 其减阻程度随着夹角大小的改变而有所变化，为最佳沟槽减阻设计提供了理论依据。
关键词：V型沟槽 数值模拟 减阻 流场 湍流模型
中图分类号：TH814.93文献标识码：A文章编号：1007-9416（2012）10-0164-02
从上世纪60年代开始，人们就开始对湍流边界层减阻技术进行了相应的研究，传统的沟槽面是具有一定连续规则形状尺寸、排列整齐有序的微型凸起或凹槽，从而能够改变边界层近壁区湍流相关结构而达到减阻目的。
1978年，美国航空航天局Lanley研究中心设计出连续分布2.54×10-2mm的微小凸状物的表面[1]，并粘贴在飞机机身上，使得机身表面减阻达到6%-8%。从此，V型沟槽面的减阻效果引起了国际上的极大关注，Bacher[2]、Walsh[3]、Wallace[4]等学者相继开展试验研究，同时国内官武旗[5]梁在潮[6]王晋军[7]等学者也开始进行了相应的研究，他们分别在沟槽表面各几何形状参数和沟槽面湍流边界层的紊动特性、带条结构等方面作了大量有意义的探索。
之前人们一直热衷于其实验研究，以往对沟槽减阻的研究方法主要采用风洞或者水洞实验，但其缺点是周期长、代价高、难以控制。伴随着高速计算机的发展，各种数值计算方法的理论成熟，可以在较短时间内对多种设计模型进行数值计算，然后对实验结果进行比较分析。本文采用商业成熟流体分析软件FLUENT，采用有限体积法选择具有不同夹角的V型沟槽表面进行数值模拟，在此基础上分析减阻效果的和流场特性的影响。
1、建模及网格划分
本文选用沟槽形状如图1（a）所示，每个沟槽之间相邻间距s都为0.1mm，夹角α分别为60°、90°、120°三种沟槽模型。然后按照该尺寸大小建立图1（b）三维几何模型：其中，计算域上表面是光滑面，下表面是沟槽面，x方向为V型沟槽面的展向，y方向为垂直来流方向，z为顺流方向，下表面一共有10个V型沟槽。其中展向为1mm，垂向为8mm，流向为10mm。
在对流场计算中，雷诺平均N—S方程数值求解对壁面附近网格的贴体性和正交性要求较高，所以对三种沟槽的模型均采用都采用结构化网格划分技术，以保证网格质量。在垂向不等间距分200个网格点，中心处网格最稀，从两边到中间网格间距以1.1倍的比率增加，共有2050401个网格节点，建立体网格如图2（a），光滑面和沟槽面附近典型计算网格如图2（b）和图2（c）。
2、边界条件
假设该流场为流动稳定的定常流场， 流体为不可压缩流， 密度和黏性等各物理参数不随时间的变化；采用各向异性假设并且不涉及传热问题。用有限体积法求解N—S方程，边界条件分别在入口和出口处设置为周期性边界条件；沿着展向的两侧边的边界条件设置为对称边界条件；而计算域光滑表面与沟槽表面均设置为无滑移边界条件，即上下壁面三个方向的速度均为零。入口处给定质量流率m=0.1kg/s，计算温度t=300K，流体介质为水，密度ρ=1000kg/m3，动力黏度为0.001N·s/m2，雷诺数Re=5.0×105。
3、计算结果分析
考虑到该几何模型的狭长结构以及沟槽表面在层流中基本没有减阻效果，沟槽表面和光滑表面的阻力是通过对中间的一个沟槽后半段上的剪应力进行面积分求和得到的。
其中τ为壁面剪应力；A为离散单元面积。这样即减小了展向边界对表面阻力积分的影响，又使阻力积分计算是在充分发展流动的湍流区域中进行的。
从图3（a）-（c）为不同夹角沟槽的剪应力受力云图，从中能看出沟槽面的最大剪应力要比光滑面的剪应力小，只有在沟槽顶端处区域的剪应力才接近光滑表面的剪应力，而在其余大部分区域内剪应力均小于光滑表面，并且从沟槽顶部到底部剪应力逐渐减小，说明V型沟槽一定程度上减弱了边界层的湍动，减弱了能量交换，有利于流体流动，体现了一定的减阻效果。
从表1可知，随着V型沟槽夹角的增大，光滑面和沟槽面的剪应力都会逐渐增加，并且光滑面与沟槽面的平均剪应力之间的差距越来越小，从中可以看出减阻效果会出线明显的下降。并且从图4可以看出，随着夹角的增加，这三种沟槽表面高应力区的起始位置越来越低，并且随着面积越来越大，导致壁面的总阻力逐渐增加。
4、结语
通过计算机仿真软件的理论建模和数值分析，可以看出V型沟槽具有一定的减阻效果。在相同的外界条件下，沟槽面的最大剪应力要小于光滑表面，但随着夹角的增大，沟槽面与光滑面剪应力的差距越来越小，减阻能力越来越弱。
参考文献
[1]Walsh M J，Lindemann A M.Optimization and application of riblets for turlent drag reduction.AIAA paper，1984：0347.
[2]BACHER E V，SMITH C R.A combine visualization anemometry study of the turbulent drag reducing mechanisms of triangular microgroove surface modifications[R].AIAA Paper 85-0548，1985.
[3]WALSH M J.Effect of detailed surface geometry on riblet drag reduction performance[J].J.Aircraft，1990，27：572-573.
[4]WALLANCE J M，BALINT J L.Viscous drag reduction using stream wise aligned riblets： survey and new results[A].In：Turbulent Management and Relaminarisation[C].1987，133-147.
[5]官武旗，李新宏，黄淑娟.沟槽面减阻机理实验研究[J].工程热物理学报，2002，23（5）：581-582.
[6]梁在潮，梁利.肋条减阻[J].水动力学研究与进展，A辑，1999，14（3）：303-310.
[7]王晋军，兰世隆，苗福友.沟槽面湍流边界层减阻特性研究[J].中国造船，2001，42（4）1-5.