三角形面

三角形面（共3篇）

三角形面 篇1

非光滑表面减阻技术的研究起源于仿生学对鲨鱼、旗鱼和海豚等水下低阻力鱼类表皮的研究。鲨鱼鳞片均匀的覆盖在鲨鱼体表,且所有鳞片的生长方向都与鲨鱼的前进方向相反,使鲨鱼身体周围产生细小的涡流从而降低身体的阻力,并可以阻止浮游生物的附着[1],具有优良的减阻防污性能。受此启发,用仿生非光滑沟槽技术减小壁面摩擦阻力,仅改变壁面形状就能达到很好的减阻效果,在各种减阻技术中被认为是最有前途的减阻方法。

到目前为止,已有大量的文献对平板湍流边界层的沟槽减阻进行了研究,并取得丰富的成果。相对而言,对仿生沟槽面圆管湍流减阻的研究则相对较少。1983年,Nitschke对具有圆形槽峰和平坦槽谷的圆管内的空气流动进行研究发现,无量纲沟槽间距在8—23时有减阻效果,在11—15时得到最大为3%的减阻效果[2]。1988年Reid和Anderson[3]用一个直径为6英寸、内部采用3M公司制造的对称三角形沟槽薄膜的管道进行内部边界层实验,实验表明管道中的减阻效果好于平板。Enyutin等[4]在1995年对圆管内的不同形状的沟槽进行湍流空气流动实验,得到5%—6%的减阻效果,并证实了三角形沟槽的减阻效果好于圆形沟槽。日本的Shiki等[5]对五种不同形状和尺寸的三角形沟槽面圆管进行减阻实验,结果表明无量纲沟槽高度h+=11.4时取得最大减阻效果8%。2002年Koeltzsch等[6]研究了具有分叉型沟槽结构的管道内壁表面的减阻性能以及不同沟槽结构的影响效果,为输油管道内壁的减阻方法提供了新的思路。2010年,Auteri等[7]通过实验对管道湍流中随行波壁面的减阻情况进行研究,观察到高达33%的减阻。

随着计算机技术的飞速发展,大涡模拟方法成为了湍流数值计算中最有潜力的主流计算方法。2005年Ahn等[8]运用大涡模拟对方形和半圆形沟槽表面圆管的流动和热传递进行数值模拟。2007年,Sowjanya等[9]运用大涡模拟对沟槽表面圆管湍流进行了数值研究。

现采用流体分析软件FLUENT,分别对光滑圆管和三角形沟槽面圆管的湍流流场进行三维的大涡模拟,观察圆管内壁面湍流边界层的拟序结构和流动特征,并分析圆管内三角形沟槽的减阻效果及其减阻机理。

1 数值计算方法

1.1 模型建立及离散化

研究的是对称三角形沟槽面圆管,沟槽的横截面如图1所示,沟槽深度h=0.152 4 mm,沟槽间距s=0.152 4 mm。圆管的外直径D=12.7 mm,在计算雷诺数和圆管阻力中使用的圆管有效直径可由沟槽面圆管的横截面面积A求出[10]:$d{}_r=\sqrt{4A/\text{π}}=12.5502$mm。根据Eggels[11]的建议,圆管流向长度取为L=5D=63.5 mm。为了计算同样流态下光滑圆管的阻力大小,还需要建立一个光滑圆管模型,圆管长度与沟槽面圆管长度相等,圆管直径Dsmooth=dr。由于流动为轴对称的周期性流动,故可取四分之一圆管作为计算对象(如图2所示)。

1.2 计算模型选择

所用流体为水,计算所需的控制方程为采用滤波处理的时间相关Navier-Stockes方程,所采用的算法是局部动态动能亚格子模型(Localized Danamic Kinetic-energy Model, LDKM)。

网格划分上,由于本数值计算采用大涡模拟,因此近壁面区域的网格比较小,第一层网格距壁面的无量纲距离y+≈1,流向方向网格均匀分布,同时需要保证沟槽面圆管和光滑圆管的网格分布大致相同。

为了保证圆管内的流动是充分发展的,流向表面和两个相互垂直的圆管内表面采用周期性边界条件,光滑圆管壁面和沟槽壁面采用无滑移的壁面边界条件。通过设定整体的固定流率来控制流场的流速,以得到期望的雷诺数。

2 流场模拟结果及分析

实验分别模拟了ReD=10 000,ReD=15 000,ReD=20 000,三种情况下光滑圆管和三角形沟槽面圆管的湍流流场,数值模拟采用各参数如下:

无量纲沟槽间距尺寸:s+=su*/ν;

无量纲沟槽高度尺寸:h+=hu*/ν。

其中,摩擦速度$u{}^{*}=\sqrt{\tau {}_w/\rho }$,τw为壁面剪切应力。

光滑圆管摩擦系数f经验公式[12]:

$1/\sqrt{f}=2.0\lg {}_{10}\left(\sqrt{f}Re\right)-0.8$。

根据模拟得到的壁面剪切应力τw计算模拟摩擦系数fLES:

$f{}_{\text{L}\text{E}\text{S}}=\frac{8\tau {}_W}{\rho \overline{U}}$。

其中$\overline{U}$为圆管的整体速度(Bulk velocity)。

减阻量定义为:$\%DR=\frac{F-F{}_{\text{R}\text{Ι}\text{B}\text{L}\text{E}\text{Τ}}}{F}\times 100\%$。

其中F为光滑圆管壁面所受总阻力,FRIBLET为模拟得到的三角形沟槽面圆管壁面所受的总阻力。

2.1 LES精度验证

由表1可以看出光滑圆管摩擦系数的经验值和模拟值接近,说明本次模拟具有较高精度。

2.2 湍流阻力

表2列出了ReD=10 000, ReD=15 000, ReD=20 000三种情况下模拟得到的光滑和三角形沟槽面圆管流动的阻力值(N)。

由表2可以看出,三种情况下的三角形沟槽面圆管的压差阻力都较小,说明该尺寸下沟槽的形状阻力较小;摩擦阻力占总阻力的绝大部分,其中三角形沟槽面的摩擦阻力ReD=10 000<ReD=15 000<ReD=20 000,但是从减阻量上看则有: ReD=20 000<ReD=10 000<ReD=15 000。说明最佳的沟槽无量纲尺寸可能在s+=h+=10.14附近, 这与日本的Shiki等[5]的实验结果接近(最佳减阻尺寸为h+=11.4);三种情况下三角形沟槽面圆管的摩擦阻力均小于光滑圆管,说明这种形式的沟槽在圆管湍流中具有很好的减阻效果。

由于三种情况均有减阻,故选取ReD=10 000的情况进行分析,其他情况下均可得出相似结论。

2.3 速度分布

完全发展的圆管的平均流向速度分布(The mean streamwise velocity profiles )定义为:U+≡〈U〉/u*。图3表示了光滑圆管、三角形沟槽面圆管沟槽尖端和谷底的平均流向速度分布,从图中可以看出:在沟槽谷底区域(即$\frac{r}{R}\le \frac{0.1524}{6.35}=0.024$,r为距壁面距离,R为圆管半径),平均流向速度很小,说明在沟槽内的流体流动平稳缓慢;受沟槽的影响,在r/R≤0.319的区域沟槽面圆管的平均流速小于光滑圆管,近壁面区域流动平稳。

对比图4、图5可以发现:沟槽面圆管的沟槽内以及沟槽尖端以外的一定区域内流体流动速度很小,由图5的右上角的沟槽内流速等值线图可以很清晰的看到沟槽内流体的流向速度等值线的数值是远小于外部流体的,证明了低速流体的存在,说明沟槽外部的高速流体是从沟槽内的低速流体上面流过,避免了直接和壁面的接触而导致的大量能量的损失,因此减小了摩擦阻力。低速流体的存在也保持了边界层的稳定,抑制了湍流的猝发。

2.4 速度脉动

图6是光滑圆管和沟槽面圆管沟槽尖端以上和沟槽谷底以上位置的X、Y、Z方向速度脉动均方根曲线,由图中可以看出在r/R≤0.1的区域内沟槽三个方向的速度脉动均方根相对于光滑圆管都要小,说明三角形沟槽的存在使得圆管近壁面区域的流体的速度脉动减小,抑制了湍流猝发,这与Choi等[13]和Wu等[14]观察到的现象是吻合的,即有减阻效果的沟槽形式,其所有方向上的速度脉动较光滑壁面的值要小。

2.5 涡量分布

图7和图8分别为光滑圆管和沟槽面圆管横截面流向涡云图,从图中可以观察到顺流向的反向旋涡对的存在,它们是由马蹄型涡演变而来,它们一方面会使低速流体在展向集结,形成低速流带,另一方面使这些低速流带不断向上提升,当这些低速流带提升到临界剪切面时就会破裂并产生湍流猝发,消耗大量的能量[15]。图9是沟槽面圆管沟槽尖端附近的反向旋涡对的示意图,可以看出第三个沟槽左右两边的涡的值是相反地,说明它们的旋转方向是相反地。这些反向旋涡对和沟槽尖端相互作用,使得沟槽内部产生小的二次涡,这些二次涡的涡值和沟槽外部流体的涡值也是相反地,即它们的旋转方向相反(见图10),因此二次涡和反向旋涡对相互作用,会削弱这些反向旋涡对的强度,从而抑制了湍流的猝发,保持了边界层的稳定,因此产生了减阻效果。

2.6 雷诺剪切应力

对比光滑圆管和沟槽面圆管横截面的雷诺剪切应力云图,可以看出:两个图显示的雷诺剪切应力都较小,绝对值都小于0.002;相对而言,沟槽面圆管的雷诺剪切应力总体上要小于光滑圆管(大部分区域显示为蓝色)。

3 结论

本文使用大涡模拟(LES)对ReD=10 000, ReD=15 000, ReD=20 000下光滑圆管和三角形沟槽面圆管的流场进行数值模拟研究,深入分析这些模拟结果,可以得出如下结论:

(1)摩擦系数模拟值与经验值吻合良好,与前人的研究成果相符合,验证了LDKM亚格子模型的大涡模拟方法用于非光滑表面圆管湍流的数值研究是可行的;

(2)实验所采用的三角形沟槽具有良好的减阻效果,从平均流向速度分布曲线以及速度云图可以看出沟槽内流动平稳,存在低速流体,沟槽的出现增加了圆管粘性底层的厚度,保持了边界层的稳定,从而减小了摩擦阻力;

(3)观察发现沟槽尖端附近存在一对反向旋转的流向涡,它与沟槽尖端相互作用,使得沟槽内形成了小的二次涡,削弱了反向旋涡对的强度,抑制了湍流的猝发,产生减阻效果,这和前人在沟槽面平板上的发现是一致的;

(4)沟槽面圆管在r/R≤0.1的区域内沟槽三个方向的速度脉动均方根都比光滑圆管要小,说明三角形沟槽抑制了圆管近壁面区域流体的湍流猝发;

(5)需要指出的是,实验的模拟结果和Reidy等[3] 的实验结果(h+=12时取得最佳减阻效果:6%—9%)相差较大,究其原因,有:第一,由于实验材料生产工艺以及材料类型等原因,会使实验模型与数值模拟模型产生一定的差异,对结果产生影响;第二,数值模拟的流场不可能与实验的实际情况完全相同;第三,根据Fluent的使用经验,网格的划分对数值模拟的结果也有一定的影响,因此在未来的研究中将会对网格的影响进行深入的研究。

摘要：湍流减阻对水上船舶、潜艇、飞机以及长输油管道等运输工具的节能减排具有重要意义。利用大涡模拟(LES)对光滑圆管和三角形沟槽面圆管的流场进行数值研究,验证了LES在非光滑表面圆管湍流减阻研究的可行性,为其他形式的沟槽面圆管的减阻研究提供依据。同时对光滑及沟槽面圆管流场进行分析,并探讨了三角形沟槽的减阻机理。

关键词：大涡模拟,三角形沟槽面,湍流减阻,圆管流动

三角形面 篇2

双三角翼的翼面压力分布与空间涡态相关分析

本文将双三角翼翼面测压试验结果与空间涡态观察测量结果进行了定性的相关对比分析,分析表明:垂直于双三角翼翼面的典型横截面上压力系数Cp展向分布与空间涡态有明显的对应关系,Cp分布的峰值数目反映了双三角翼的.双涡态和单涡态,Cp峰值随α变化反映了涡强随α的变化,Cp峰值所在展向位置反映着涡核的展向位置,Cp峰形的平坦反映了涡的破裂.

作 者：冯亚南 郑波 权少平Feng Yanan Zheng Bo Quan Shaoping  作者单位：北京航空航天大学流体力学研究所,北京,100083 刊 名：空气动力学学报  ISTIC EI PKU英文刊名：ACTA AERODYNAMICA SINICA 年，卷(期)：1999 17(2) 分类号：V211.41 关键词：大迎角   分离流   双三角翼   压力分布  

三角形面 篇3

地表坡面径流数据采集在高速公路泥石流和农业灌溉土壤墒情研究及应用中起着重要作用,但目前对地表坡面径流采集、 处理和控制手段存在功能简单、 功耗高等诸多问题[1,2]。 通常情况下坡面径流采集设备是野外无人值守, 安装现场通常情况下需太阳能供电, 这对采集系统的功能稳定性、功耗提出了更高要求。 由于太阳能供电的设备在连雨天无法满足要求, 能否设计出低功耗的坡面径流采集装置保证在连雨天存储的电量满足系统运行, 成为了坡面径流采集系统稳定工作的关键[3,4,5,6]。 本文以Cortex-M3 为内核的STM32F103 系列芯片搭建便携式坡面径流采集硬件平台, 经安装测试,系统功能稳定, 功耗低, 适合于野外无人值守的坡面径流信息采集。

1 低功耗坡面径流采集器总体框架

1.1三角堰坡面径流量采集模型

三角形堰的流体流量公式[7]:

式中,qv是三角形堰的径流量(m3/s) ,h是实测水头(m) 。若三角形开口角度 θ 一定, 水流量由实测水头h决定,因此测量出水位h即可计算出通过三角堰界面的流量,即坡面水径流量。

1 . 2 采集器硬件框架设计

坡面径流采集器以STM32 为主控芯片, 采用STM32的串口0 (uart0) 与上位机通信( 通信格式如表1), 串口1 - 4 ( uart1 - 4 ) 由485 总线接若干个传感器, 用于接收传感器数据。 这些传感器分为4 个水位传感器组(组1-组4 , 如图1 所示) , 每组中传感器的最大个数不超过8 个,每个传感器有自己的节点号, 各节点通过Modbus协议与主芯片通信。 485 通信线为4 芯, 其中两根是电源和地,主芯片通过I/O口控制开关管可以开启和关闭组内传感器电源,以节省功耗开销。 采集器配置有一个RTC时钟生成电路, 一块2.8 寸TFT LCD彩屏并扩展一个SD卡。 RTC时钟产生当前的时间; LCD显示与用户交互;SD用于存储采集的数据和时间,用户可方便地通过SD卡将数据上传到计算机。

水位采集传感器采用数字型传感器, 其通信协议为Modbus_RTU协议。 如表2 所示, 每个传感器可作为一个节点挂接在数据RS485 总线。

2 坡面径流采集器硬件设计

2 . 1 采集器LCD显示模块接口硬件设计

液晶显示模块主控制器为ILI9341 , 其与STM32 接口如图2 所示,STM32 可通过SPI总线对液晶初始化。STM32 芯片集成了FSMC总线接口控制器, 本文将LCD模块看成SRAM挂接在FSMC总线上。 液晶接口模块用到了FSMC总线的16 位数据总线( 数据传输格式RBG为5:6:5), 片选线FSMC_NE, 写线FSMC_NE, 读线FSMC_NOE和地址线FSMC_A10 , FSMC_A10 是STM32 对ILI9341 数据和命令的区分引脚, 可实现命令和数据的分时传输。

2 . 2 坡面径流采集器存储电路的硬件设计

本文扩展了SD存储卡作为数据存储介质,SD存储卡与STM32 的接口如图3 所示。 STM32 采用SPI总线方式与SD卡通信,SPI采用三线制,SPI2_CLK、SPI2_MISO和SPI2_MOSI, 加上一根片选和读写允许线, 就可方便地实现二者之间的数据传输,且读写时钟可达2 MHz。

3 坡面径流采集器软件功能设计

( 1 ) 水位采集和存储

采集器按采集间隔设置轮询4 个传感器组, 采集到的节点数据经打包存储在SD卡存储器中。 数据包由16 B组成( 如表3 所示) 。 数据包分为3 个部分: 采集包头、采集时间和数据。 包头分采集序号、组号等,采集时间为7 B的BCD码, 记录了当前采集时间, 节点数据为2 B ( 低字节在前) 。

( 2 ) 坡面径流采集器菜单功能

为降低功耗,坡面径流采集器设置了5 个主要菜单功能,如图4 所示。 包括休眠时间间隔设置、存储时间间隔设置、删除数据、下位机校时、时间设置。 休眠时间是根据用户需要设置休眠时间(设置范围为6 min~2 h);数据存储时间是根据用户需要设置存储时间间隔(设置范围为30 s~1 h)。

( 3 ) 休眠选择功能

休眠流程图如图5 所示, 如果选择休眠功能, 则采集器将按设定时间间隔自动进行休眠与唤醒。 如果不选择休眠功能,采集器不进入休眠。 此功能是休眠时间设置的前提, 只有选择了此功能, 休眠时间设置功能才能生效。

4 坡面径流采集器功能测试

采集器整体实物图如图6 所示, 由前面板、 底板和液晶模块组成。 前面板上设置有5 个按键,用于功能选择;液晶模块设置两个界面,一个是采集界面,一个是菜单界面。 采集界面用于显示当前水位实时值、采集间隔、系统时钟等; 菜单界面设置了采集间隔时钟、 休眠时间间隔设置等功能,通过按键选择可在菜单项间切换。

4 . 1 采集功能测试

采集器可按菜单设置的采集间隔对底层量水堰传感器进行轮询发请求,各节点传感器接到请求后将数据包上传给采集器,表4 为粘土条件下4 路RS485 采集的坡面径流数据(记为组1,组2,组3,组4)。 每路RS485总线上挂接了6 个传感器, 分别编号1-6, 从1 到6 号三角堰的水槽水位逐渐增高,采集到的水位及计算得到的坡面径流量如表4 所示。

4 . 2 坡面径流采集器功耗测试

项目以采集器挂接32 路传感器进行功耗测试。 采集系统在不休眠且外围设备时钟电源全部打开的情况下功率耗散约为900 m W, 而现场太阳能供电为10 W,在此条件下仅能持续工作11 h;若在关闭不需要的外设时钟的情况下, 能持续工作16 h, 这远远达不到用户要求。 因此需要为采集器设置休眠功能和传感器电源配置功能。 经测试每个外部传感器功率约为240 m W,对于整个系统功耗而言所占比例较高,所以需要在采集器休眠的情况下将传感器电源一并关闭。

经过外场对系统测试,光伏充电关闭后系统工作时间如表5 所示。 从表5 可知休眠时间越长,系统待机时间越长, 当设置休眠时间为60 min, 传感器电源关闭的情况下系统可连续工作62 天, 这可以满足系统在国内大部分地区最长连阴雨天下正常工作。

4 . 3 坡面径流采集器数据下载/ 上传测试

采集器数据存储在SD卡中,用户可直接将SD卡取出读取存储的水位数据, 也可通过GPRS/RS485/RS232上传到上位机中进行处理。 本文采用JBOSS搭建了上位机数据显示及处理软件,该软件为用户提供可选择的通信方式(GPRS/RS485/RS232/TCP ) 与采集器通信, 将SD卡中的数据远程存储、显示,最多可实时接收/显示60路水位数据。 图7 为采集器数据经RS232 方式通信后的显示界面, 本次测试采集了32 路水位数据,采集时间间隔30 s , 休眠5 min , 数据显示单位为ms 。

5 结束语

本文基于STM32 设计三角堰坡面径流采集器,采集器通过RS485 总线扩展4 路传感器, 最大可采集32 路传感器数据,采集精度<0.3 mm,分辨率为0.1 mm。 设计了LCD人工交互界面, 可完成休眠、 采集间隔设置等功能。 采用多种途径减少功耗,在10 W光伏电池供电下最长稳定工作62 天。 经测试可满足高速公路泥石流及坡面径流小区水土流失过程监测。

参考文献

[1]曹建生,张万军,刘昌明.一种坡面径流水样采集及流量测定装置[J].仪器仪表学报,2007,28(4):28-30.

[2]李东发,宋献方,刘昌明,等.坡面径流过程自动观测方法[J].地理研究,2006,25(4):666-672.

[3]Huang Jinliang,Tu Zhenshun,Du Pengfei.Uncertainties in stormwater runoff data collection from a small urban catchment,Southeast China[J].Journal of Environmental Sciences,2011,23(5):553-560.

[4]张甫宽,刘纯天.人工降雨径流模型水位采集系统设计[J].武汉水利大学学报,1997,19(3):16-19.

[5]Siaka Ballo.Pollutants in stormwater runoff in Shanghai(China):Implications for management of urban runoff pollution[U].Progress in Natural Science.2009(7):873-880.

[6]赵军,屈丽琴,赵晓芬.称重式坡面径流小区水流流量自动测量系统[J].农业工程学报,2007,23(3):37-40.