[发明专利]一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法

说明书

本发明公开了一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，该方法为：构建超疏水微结构表面的流体模型；使用网格划分软件对建立的模型进行网格划分；将划分好网格的mesh文件导入Fluent中施加边界条件进行求解运算；对求解后的case文件进行后处理。该方法具有工艺简单、效率高、可获得全局流场分布的特点，可运用于模拟分析船舶、输油管道微结构表面的减阻效果。

技术领域

本发明属于数值模拟技术领域，尤其涉及一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法。

背景技术

雨中荷叶上水滴滚来滚去，清晨蝉翼上露珠凝集，海水中鲨鱼穿梭如飞，这些现象像我们展示了一种独特的表面。这种表面的水接触角大于150°，滚动角小于10°，被称为超疏水表面。超疏水表面具有良好的减阻效果，可以运用于航海、管道运输、医疗器械等行业。超疏水技术能有力的减小流体与壁面的阻力，符合节能环保的理念。

目前，超疏水减阻表面的减阻效果的检测一般是通过先实验制备样品再测试减阻性能的方式。这种检测方法工艺繁琐、效率低、不能获得气液交界面的流场分布，难以解释减阻机理。

例如申请号为201710848040.5的专利公开了一种测试超疏水材料减阻性能的小型实验装置，通过压差计测量管道内流体压力变化，通过激光发射器与摄像机检测部分流场分布，以此衡量超疏水表面的减阻效果。201610256387.6的专利公开了一种仿生超疏水表面制备及减阻的方法，将铜球经过腐蚀和修饰制备出超疏水表面，再使用高清相机拍摄超疏水表面入水后的超空泡现象来展现其减阻效果，并以此作为优化设计方法的标准。申请号为201110396837.9的专利公开了一种减阻超疏水涂层及其制备方法，用制备出的超疏水表面在水槽中滑行，计算其滑行所需时间，以此来判定表面的减阻效果，作为优化设计的标准。上述几种方法均能用于衡量超疏水表面的减阻效果，但也存在一定问题，例如制备表面时间长，成本太高，测量效率低，难以获得全局流场分布等。因此，寻找出方法简单，成本低，效率高的量化表征微结构表面减阻效果的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是解决测量超疏水表面减阻效果工艺繁琐、效率低、成本高、不能获得流场分布的缺点，研究了一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法,采用Fluent数值模拟的方式去模拟微结构表面的流场分布情况，可以清晰明了的观察表面的减阻效果，并且可以通过详细的数值来表示不同微结构表面的减阻率。观察气液、液固交界面处流场分布，可以深入分析滑移减阻的原因，对超疏水表面减阻机理的研究有重要的价值。

为了实现以上目的，本发明技术解决方案如下:

一种数值模拟超疏水表面减阻效果的方法，采用以下步骤：

(1)建立模型：建立微结构表面的流体模型，在流体模型中反映出微结构的尺寸、形貌工艺参数；

(2)网格划分：将步骤(1)所建立的微结构表面的流体模型导入Icem中并进行网格划分，得到mesh文件；

(3)计算求解：将步骤(2)所得mesh文件导入Fluent，选择计算模型和施加边界条件后，经计算求解得到case文件；

(4)数据处理：将步骤(3)所得case文件进行后处理操作，输出速度、压力的数据反应减阻效果，生成文件。

进一步地，所述步骤(1)中建立模型使用二维或三维绘图软件构建微结构表面的流体模型，在模型中进行调整微结构尺寸与形貌工艺参数。

作为优选，所述绘图软件选用Cad、Solidworks、UG、Icem。

作为优选，所述步骤(2)网格划分需定义模型的出入口、壁面部分，对模型进行块的建立与划分，保证每个微结构作为一个独立的块，划分块之后将划分的块与各个部分进行关联，关联完成后在近壁面对网格进行加密处理，设置网格疏密Spacing为0.0001，生长率Ratio为1.2，保证输出的网格质量大于等于0.9，保证计算的精确性。