[发明专利]一种动静腔流动微沟槽-超疏水耦合减阻设计方法

说明书

本发明涉及一种动静腔流动微沟槽‑超疏水耦合减阻设计方法，利用动盘近壁区流动数学模型，构建微沟槽型线控制方程。首先，代入动静腔工作参数，计算微沟槽型线控制方程，得到微沟槽的型线数据。然后，选取微沟槽横截面形状，设计微沟槽横截面高度和弧长，选取微沟槽数量，在动盘上加工出微沟槽。最后，在带微沟槽的动盘上喷涂超疏水材料，保证涂层不淹没微沟槽。本发明通过在动盘上实施微沟槽‑超疏水耦合减阻方法达到节能目的。

技术领域

本发明涉及一种动静腔流动微沟槽-超疏水耦合减阻设计方法，属于旋转机械动静腔流动减阻领域。

背景技术

动静腔是指旋转圆盘与静止圆盘之间的流动区域，如图1所示，既是一个经典的流体力学研究对象，又是一个广泛存在于石油化工、水利水电、海洋工程、航天动力、核电装备等领域旋转机械中的工程问题。在大多旋转机械中，动静腔是不可避免的形成的，动盘与腔内流体的摩擦功率属于能量损失，减小动盘转动阻力(即减小壁面周向切应力)是实现旋转机械节能降耗的一个重要途径。

仿荷叶超疏水壁面是指液体表观接触角大于150°且滚动角较小的壁面。该壁面上的微纳结构及低表面能阻止液体侵入，从而在壁面贮存了一层极薄的气膜，气液界面速度滑移具有减阻功能且减阻效果优异。超疏水壁面可通过喷涂含聚四氟乙烯、氧化铝纳米线等添加剂的超疏水材料制得。但是，在较大雷诺数或压力下，很难维持长期稳定气膜减阻。

仿鲨鱼皮微沟槽在平板流动中的减阻机理可以总结为：(1)粘性底层和缓冲层的厚度增大，对数律区抬升，近壁区平均速度梯度减小；(2)流向沟槽限制了流向涡的展向运动等，湍流猝发强度、雷诺应力等统计量减弱。由于平板上主流是直线型，因而微沟槽型线设计成直线流向型，不需要设计成曲线型。在动静腔中实施微沟槽减阻策略时，显然不能把微沟槽型线设计成平板流动中的直线型。这是因为动盘壁面对流体的剪切作用、腔体对流体的约束等，动盘近壁区流动方向为周向和径向，其流线是曲线型的。因此，为达到良好的减阻效果，动盘壁面上的沟槽应该设计成曲线型的。但是，该曲线设计方法较缺乏。

通过在动静腔动盘壁面上耦合超疏水减阻技术和微沟槽减阻技术，克服各自不足之处，达到两者相互影响、协同作用下的长效增强减阻目的。基本原理是：加工曲线型微沟槽，喷涂超疏水材料，使得微沟槽减小边界层湍流强度、雷诺应力等并在槽谷产生低速流动，削弱对超疏水壁面贮存气体的剪切作用，实现超疏水壁面长效减阻；壁面贮存气体的滑移、刚度和阻尼作用又反过来减小湍流边界层动能损失，实现微沟槽壁面增强减阻。

经检索，CN201810412446.3《一种多功能复合减阻实验测试装置》给出了一种动静腔减阻测试方法，但不涉及微沟槽-超疏水耦合减阻方法。

发明内容

本发明的目的就是针对上述存在的问题，提供一种动静腔流动微沟槽-超疏水耦合减阻设计方法。

本发明的目的是这样实现的，一种动静腔流动微沟槽-超疏水耦合减阻设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、利用动盘近壁区周向和径向速度方程，即二维流线方程，设计出微沟槽型线；

动盘近壁区流体径向速度：

C_r＝1.18·(10^-5·Re_r+2)^-0.49(2)

v_r是流体径向速度，径向坐标是流体径向速度的自变量；C_r是动盘径向速度系数；r是径向坐标；υ是流体运动粘度；ω是动盘角速度；K是携卷系数，流体周向速度与动盘周向速度之比；z是轴向坐标；δ_r动盘边界层厚度；Re_r是雷诺数；