第４６卷㊀ 第７期２０１４年７月㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀
㊀
哈㊀ 尔㊀ 滨㊀ 工㊀ 业㊀ 大㊀ 学㊀ 学㊀ 报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＡＲＢＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
㊀
Ｖｏｌ ４６
Ｊｕｌ．２０１４
Ｎｏ ７
三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析
谭惠丰，康敬天，卫剑征，王长国
（哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，１５０００１哈尔滨）
摘㊀ 要：微米尺度的沟槽是临近空间飞艇大面积减阻的一种可行的减阻形式．以临近空间飞艇减阻为研究背景，通过采用ｋ－ωＳＳＴ湍流模式，对微米尺度的三角形沟槽进行了流场分析，得到了三角形沟槽壁面流的速度场和压力场．通过计算不同尺寸三角形微沟槽的减阻率和沟槽内的流线形状，分析了微米尺度沟槽的减阻机理和不同沟槽尺寸对减阻能力的影响．研究表明，沟槽内的流线形状对沟槽的减阻能力有重要影响，尺寸合适的沟槽可以减小流体和壁面之间的切应力，减小流动阻力，对临近空间飞艇的蒙皮设计和减阻研究提供了一定参考．关键词：微沟槽；临近空间飞艇；减阻；蒙皮中图分类号：Ｖ２１４ ８
文献标志码：Ａ
文章编号：０３６７－６２３４（２０１４）０７－００３２－０４
ＦｌｏｗｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｉｃｒｏ⁃Ｖｓｈａｐｅｒｉｂｌｅｔｓａｉｒｓｈｉｐｓｕｒｆａｃｅ
ＴＡＮＨｕｉｆｅｎｇ，ＫＡＮＧＪｉｎｇｔｉａｎ，ＷＥＩＪｉａｎｚｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＣｈａｎｇｇｕｏ
（ＣｅｎｔｅｒｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５０００１Ｈａｒｂｉｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓａｖｉａｂｌｅｆｏｒｍｏｆｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒａｉｒｓｈｉｐｔｏｕｓｅａｉｒｓｈｉｐｅｎｖｅｌｏｐｅｗｉｔｈｍｉｃｒｏｎ⁃ｓｃａｌｅｇｒｏｏｖｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｋ⁃ωＳＳＴｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅＶ⁃ｓｈａｐｅｄｍｉｃｒｏ⁃ｒｉｂｌｅｔｓ．Ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｕｓｉｎｇｔｈｉｓｍｏｄｅｌ．Ｂｏｔｈｔｈｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｍｉｃｒｏ⁃ｇｒｏｏｖｅｓａｎｄｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｓｉｚｅｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｒａｇｂｅｔｗｅｅｎｆｌｕｉｄａｎｄｗａｌｌ．㊀ ㊀ 近年来，临近空间飞艇作为侦察㊁ 导航㊁ 通信中继的应用研究引起了世界范围的普遍关注．其应用过程中提出了许多如大面积减阻㊁ 高效能量应用等亟待解决地关键问题．其中，如何通过设计蒙皮表面微沟槽有效减小风阻是实现大型临近空间飞艇长航时的核心问题之一［１］．
沟槽减阻初期主要采用试验测试的手段对不同截面形状沟槽减阻效果进行研究，文献［２－４］较早开展了刚性面沟槽湍流下减阻的研究，对不同截面形状和尺寸沟槽的减阻效果进行了风洞试验测试，并发现具有一定高度和尺寸的Ｖ型沟槽具有最佳的减阻效果，进一步通过实验验证，获得
收稿日期：２０１３－０９－０４．
基金项目：航空科学基金资助项目（２０１３ＺＡ７７００１）．作者简介：谭惠丰（１９６９ ），男，教授，博士生导师；
王长国（１９７９ ），男，教授，博士生导师．
通信作者：王长国，ｗａｎｇｃｇ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒｏｏｖｅｓｉｚｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｐａｔｔｅｒｎａｎｄｔｈｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｐａｔｔｅｒｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅａｓｏｎｆｏｒｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｇｒｏｏｖｅｓｗｉｔｈＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ⁃ｒｉｂｌｅｔｓ；ａｉｒｓｈｉｐ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｅｎｖｅｌｏｐｅ
了在较高Ｍａ（０ ３ ０ ６，相对于飞艇而言）时６％的减阻效果．文献［５－６］采用直接模拟法对沟槽壁面减阻的机理进行了分析，然而直接模法需要十分庞大的计算成本难以满足工程需要．随着计算机性能的大幅提高，数值模拟成为研究沟槽减阻效果及减阻机理的重要方法．一些学者采用基于浸入边界技术和控制体积法等数值模拟技术分析了毫米级刚性面沟槽的减阻效果．文献［７－１０］采用数值模拟方法对不同沟槽壁面流动进行了研究．文献［１１－１２］在沟槽减阻的实验等方面做了比较有代表性的工作，基于仿生模拟思想，研究了沟槽在风场和水流场作用下的减阻效果和减阻机制．
然而，以前绝大多数的学者所研究的沟槽的尺寸都在毫米级，对于临近空间飞艇的蒙皮材料它的强度㊁ 耐候性㊁ 阻隔性都有很高的要求［１３］，并
第７期谭惠丰，等：三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析㊃ ３３㊃
且蒙皮的厚度都很薄，因此在蒙皮上使用毫米级的微沟槽是不现实的．因此有必要对微米甚至纳米级的微沟槽进行研究．
２㊀计算模型和离散化
如图１所示，计算模型前端导引段１０ｍｍ，沟槽为１０ｍｍ，尾部稳流段３０ｍｍ，高度为１５ｍｍ，计算简化为２Ｄ平面计算问题，计算区域整个纵深为单位宽度（１０００ｍｍ）．采用Ｖ型沟槽，对不同尺寸的沟槽分为９种工况进行模拟．沟槽尺寸如表１所示．来流速度为１０ｍ／ｓ，气相密度为０ ０８８９１ｋｇ／ｍ３，动力黏性系数：１．４２１６ˑ １０－５（ｋｇ㊃ｍ）／ｓ，采用四边形结构化网格划分，对沟槽处进行网格加密使得近壁面Ｙｐｌｕｓ＜０ ３．
s
入口
微观沟槽10
10
30h
15
出口
１㊀理论模型
本文使用ｋ－ωＳＳＴ湍流模式计算．ＳＳＴ湍流模
型的优点在于其综合了常用湍流模型ｋ－ε模型在边界层外部独立性的特点，以及近壁面ｋ－ω模型的稳定性的特点．ｋ－ωＳＳＴ模型由ＢＳＬ模型和涡粘度的限制方程共同组成的，其中，ＢＳＬ模型为μｔöρｋ）éæùú＋＋∇㊃（ρＵｋ）＝∇㊃ê∇ｋ＋ç÷μêú∂ｔëèûｋ３ø
Ｐｋ－βᶄρｋω＋Ｐｋｂ，
μｔöρω）éæùú＋＋∇㊃（ρＵω）＝∇㊃ê㊀ ∇ω＋ç÷μêú∂ｔσω３øëèû
ω
α３Ｐｋ－β３ρω２＋（１－ｋ
１
Ｆ１）２ρ∇ｋ∇ω＋Ｐωｂ．
ω２ω
式中：ｋ为湍动能；μ为流体黏性系数；μｔ为湍流黏㊀
㊀ ㊀ 沟槽减阻涉及宏观大尺度模型中微观沟槽内精细流场的数值计算，计算量大㊁ 计算精度要求高．本数值计算选用了比传统湍流模式精度更高的ＳＳＴ湍流模式，近壁面进行低Ｒｅ修正．选取高精度湍流模式，需要精细的网格支持，模型建立和数值计算工作量相应增大．
图１㊀模型示意图和网格划分
５
度，各项系数分别为βᶄ＝０ ０９㊁α１＝㊁ β＝
９１
０ ０７５㊁σｋ１＝２㊁σω１＝２㊁α２＝０ ４４㊁β２＝０ ０８２８㊁σｋ２＝１㊁σω２＝
１
．Ｐ㊁ Ｐ分别为浮力引起的湍８５６ｋｂωｂ
动能项；Ｐｋ为黏性力引起的湍动能项，表达为Ｐｋ＝μｔ∇Ｕ㊃ （∇Ｕ＋∇ＵＴ）－关系
㊀ ㊀ 湍流黏度μｔ与湍动能ｋ和耗散率ε具有以下
ｋ２
μｔ＝Ｃμρ．
ε
ａ１ｋ
２
∇㊃ Ｕ（３μｔ∇㊃ Ｕ＋ρｋ）．３
３㊀计算结果
Ｖ型沟槽，当流动达到稳定的状态．总阻力可以分为压差阻力和黏性阻力两部分．减阻率η可以通过
ｆ平板－ｆ沟槽
η＝
ｆ平板
计算了１组光滑平板和９组不同宽度高度比的
㊀ ㊀ ＳＳＴ湍流模型中的涡黏度限制方程为
νｔ＝
式中：νｔ＝
μｔρ
ｍａｘ（ａ１ω，ＳＦ２）
．
（１）
来确定，其中ｆ为模型的流动阻力．减阻率η＞０表示由于微沟槽的存在使阻力减小，达到了减阻的目的；相反，如果η＜０微沟槽不但没有减小阻力，反而使阻力增加了．１０组模型的压差阻力㊁ 黏性阻力㊁ 总阻力和减阻率如表１所示．
；Ｆ２为混合函数；Ｓ为应变率的不变测度．
沟槽尺寸／μｍ１００ˑ ２５１００ˑ ５０
压差阻力／ｍＮ
２ １２２ ６６２ ７４３ ００３ ０６３ ０９３ １２３ １２０㊀０．８９
表１㊀不同工况的计算结果及减阻率
黏性阻力／ｍＮ１ ８２０００．６６８００．１１９０－０．０７８８－０．１５９０－０．１８１０－０．１７１０２ ８９００
总阻力／ｍＮ
２ ７１２ ７９２ ７８２ ６６２ ８４２ ８７２ ９１２ ９４２ ９５２ ８９
减阻率／％０．９７３３．３７０３．８１０７．９１０１．５４０－０．６１１－１．６００－１．９５００㊀０．６０２
工况１２３４５６７８１０９
１００ˑ ７５１００ˑ １００１００ˑ １２５１００ˑ １５０１００ˑ １７５１００ˑ ２００光滑平板１００ˑ ２２５
－０．１８４０－０ １８７０
㊃ ３４㊃ 哈㊀ 尔㊀ 滨㊀ 工㊀ 业㊀ 大㊀ 学㊀ 学㊀ 报㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ 第４６卷㊀
㊀ ㊀ ７㊁８㊁９组由于高度宽度比太大，没有减小阻力反而增大了阻力；１组和６组减阻率还不到１％同样没有达到减阻的目的；只有４组的减阻率最高，减阻效果最明显，最高的减阻率达到了７ ９％．图２清楚地表示出不同组的减阻率的异同．
工况1
工况4
工况7
0. 080. 06
率
0. 04阻减0. 020-0. 02
1
2
3
45
6
7
8
9
工况
图２㊀不同工况下沟槽的减阻率分析
㊀ 槽减阻效率㊀ 由此可见，决定了沟槽减阻方法的有效性，沟槽的宽度高度比直接影响了沟．究其原因，本文认为减阻率跟沟槽中的流动形态有关．如图３所示，第１组沟槽的宽度高度比较大，没有２㊁３形成明显的流动涡，因此这组基本没有减阻效果．
部尖端的位置组形成了流动涡，３组的流动涡较，２组的流动涡仅仅在沟槽底２组大，位置更偏向于沟槽的中心，但仍然只是占据沟槽的小面积，所以这两组虽然起到了减阻的作用，但是效果不明显．４组的流动涡形态非常好，它的中心基本在沟槽的中心，流动涡的面积也是几组中最大的．沟槽上部分的流动涡方向与流体的主流动方向相同，它没有流出沟槽而聚集在沟槽的内部形成了所谓的 第２涡群 ， 形成的 第２涡群 减少了壁面与流体之间的剪切力，抑制了湍流的生长，相当于减少了壁面与流体的接触面积，此时沟槽中的流动涡相当于 滚动轴承 ． 这正是４组减阻率最高的原因．相反，５ ９组没有形成明显的流动涡，尤其是最后３组，沟槽内的流动涡复杂，方向也不一致，甚至形成了多个方向不同，相互作用的流动涡㊀ ，高的㊀ 这反而增加了流动阻力在所有模型的模拟结果中．
．为了更加清楚地将有沟槽和没有沟槽的结４组的减阻率是最１００果进行对比μｍ∗１００，本文选择光滑平板为μｍ微型沟槽为Ｂ组．图Ａ组，４组即
组即工况㊀ ４的速度场和压力场分布云图４表示了．Ｂ沟槽前段形成压力峰值点㊀ 从图４可知，沟槽改变平板表面压力分布，与逆来流方向侧沟槽．在的压力的差值构成单个沟槽的压差阻力，压差阻力顺来流方向向后逐渐减小．
工况2
工况5
工况8
工况3
工况6
工况9
图３㊀
不同工况下沟槽内部流线形状
（ａ）速度场
图４㊀工况４速度场和压力场分布云
（ｂ）压力场
㊀ 以看出㊀ 从图，沟槽减小表面剪切应力５沟槽及光滑平板表面剪切应力分布可，甚至产生逆来流方向的剪切应力，整体剪切应力值远小于光滑平板剪切应力值．
54/P a 力3应剪面2壁1
B 组A 组0
0. 002
0. 004x /m
0. 006
0. 008
0. 010
图５㊀有无沟槽表面切应力分布
第７期谭惠丰，等：三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析㊃ ３５㊃
５ ０㊁７ ５㊁１０ ０ｍｍ布置速度监测点，图６为工况Ａ与工况Ｂ边界层内监测点速度分布曲线及其对比关系．可以看出，沟槽平板黏性底层速度大于光滑平板，而沟槽平板的速度梯度较光滑平板小，因此，布置沟槽有利于降低平板的黏性阻力，但这也是以增加压差阻力为代价的．总之，沟槽要满足减小黏性阻力，并且要不明显地增加压差阻力才能达到最终的减阻目的．
12
㊀ ㊀ 沿来流方向，分别在距离沟槽平板前端２ ５㊁
现沟槽的形状能够影响减阻效率，宽高比过大或过小的沟槽减阻率都很差，减阻率高的沟槽能够形成充满整个沟槽的规则涡．
３）通过优化微沟槽形貌，获得了减阻率８％
２）通过对不同高度的Ｖ型沟槽进行分析发
的微沟槽尺寸设计，计算证明了临近空间飞艇蒙皮利用微沟槽减阻的有效性．
参考文献
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)
10-1/(m ? s 8度6速42B 组10
A 组10
0. 010. 10
12Y /m m
1. 00
10. 00
10
)
-1
8/(m ? s 速度642B 组7. 5
A 组7. 500. 01
0. 10
12
Y /m m
1. 00
10. 00
10-1(m ? s )
8度/6速42B 组5. 0
A 组5. 000. 01
0. 10
1. 00
10. 00
12Y /m m
10
)
-18? s /(m 6度速42
B 组2. 5
0A 组2. 50. 01
0. 10
1. 00
10. 00
图６ 有无沟槽沿流向边界层速度分布
Y /m m
４㊀结１）本文对微米尺度的㊀ 论
行了分析．其减阻机理在于沟槽内部形成的漩涡Ｖ型沟槽减阻机理进
能够减小壁面与流体之间的壁面剪应力，使滚动摩擦代替滑动摩擦．
问题［Ｊ］．航空学报，２０１０，３１（３）：４３１－４４３．
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Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，２０１１，２３（２）：２０４Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
－２１１．
ｏｆ［１３］料研究进展和需求分析谭惠丰，刘羽熙，刘宇艳［，Ｊ］．等．复合材料学报临近空间飞艇蒙皮材
，２０１２，
２９（６）：１－８．
（编辑㊀ 张㊀ 红）
第４６卷㊀ 第７期２０１４年７月㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀
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哈㊀ 尔㊀ 滨㊀ 工㊀ 业㊀ 大㊀ 学㊀ 学㊀ 报
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＡＲＢＩＮＩＮＳＴＩＴＵＴＥＯＦＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
㊀
Ｖｏｌ ４６
Ｊｕｌ．２０１４
Ｎｏ ７
三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析
谭惠丰，康敬天，卫剑征，王长国
（哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所，１５０００１哈尔滨）
摘㊀ 要：微米尺度的沟槽是临近空间飞艇大面积减阻的一种可行的减阻形式．以临近空间飞艇减阻为研究背景，通过采用ｋ－ωＳＳＴ湍流模式，对微米尺度的三角形沟槽进行了流场分析，得到了三角形沟槽壁面流的速度场和压力场．通过计算不同尺寸三角形微沟槽的减阻率和沟槽内的流线形状，分析了微米尺度沟槽的减阻机理和不同沟槽尺寸对减阻能力的影响．研究表明，沟槽内的流线形状对沟槽的减阻能力有重要影响，尺寸合适的沟槽可以减小流体和壁面之间的切应力，减小流动阻力，对临近空间飞艇的蒙皮设计和减阻研究提供了一定参考．关键词：微沟槽；临近空间飞艇；减阻；蒙皮中图分类号：Ｖ２１４ ８
文献标志码：Ａ
文章编号：０３６７－６２３４（２０１４）０７－００３２－０４
ＦｌｏｗｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｉｃｒｏ⁃Ｖｓｈａｐｅｒｉｂｌｅｔｓａｉｒｓｈｉｐｓｕｒｆａｃｅ
ＴＡＮＨｕｉｆｅｎｇ，ＫＡＮＧＪｉｎｇｔｉａｎ，ＷＥＩＪｉａｎｚｈｅｎｇ，ＷＡＮＧＣｈａｎｇｇｕｏ
（ＣｅｎｔｅｒｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＨａｒｂｉｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１５０００１Ｈａｒｂｉｎ，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔｉｓａｖｉａｂｌｅｆｏｒｍｏｆｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｆｏｒａｉｒｓｈｉｐｔｏｕｓｅａｉｒｓｈｉｐｅｎｖｅｌｏｐｅｗｉｔｈｍｉｃｒｏｎ⁃ｓｃａｌｅｇｒｏｏｖｅｓ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｅｋ⁃ωＳＳＴｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｉｓｕｓｅｄｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅＶ⁃ｓｈａｐｅｄｍｉｃｒｏ⁃ｒｉｂｌｅｔｓ．Ｔｈｅｖｅｌｏｃｉｔｙａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｆｉｅｌｄａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｕｓｉｎｇｔｈｉｓｍｏｄｅｌ．Ｂｏｔｈｔｈｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｃｈａｎｉｓｍｆｏｒｍｉｃｒｏ⁃ｇｒｏｏｖｅｓａｎｄｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｓｉｚｅｃａｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｄｒａｇｂｅｔｗｅｅｎｆｌｕｉｄａｎｄｗａｌｌ．㊀ ㊀ 近年来，临近空间飞艇作为侦察㊁ 导航㊁ 通信中继的应用研究引起了世界范围的普遍关注．其应用过程中提出了许多如大面积减阻㊁ 高效能量应用等亟待解决地关键问题．其中，如何通过设计蒙皮表面微沟槽有效减小风阻是实现大型临近空间飞艇长航时的核心问题之一［１］．
沟槽减阻初期主要采用试验测试的手段对不同截面形状沟槽减阻效果进行研究，文献［２－４］较早开展了刚性面沟槽湍流下减阻的研究，对不同截面形状和尺寸沟槽的减阻效果进行了风洞试验测试，并发现具有一定高度和尺寸的Ｖ型沟槽具有最佳的减阻效果，进一步通过实验验证，获得
收稿日期：２０１３－０９－０４．
基金项目：航空科学基金资助项目（２０１３ＺＡ７７００１）．作者简介：谭惠丰（１９６９ ），男，教授，博士生导师；
王长国（１９７９ ），男，教授，博士生导师．
通信作者：王长国，ｗａｎｇｃｇ＠ｈｉｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒｏｏｖｅｓｉｚｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｂｙｔｈｅｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｐａｔｔｅｒｎａｎｄｔｈｅｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎｒａｔｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｒｅａｍｌｉｎｅｐａｔｔｅｒｎｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｅａｓｏｎｆｏｒｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｇｒｏｏｖｅｓｗｉｔｈＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ⁃ｒｉｂｌｅｔｓ；ａｉｒｓｈｉｐ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｅｎｖｅｌｏｐｅ
了在较高Ｍａ（０ ３ ０ ６，相对于飞艇而言）时６％的减阻效果．文献［５－６］采用直接模拟法对沟槽壁面减阻的机理进行了分析，然而直接模法需要十分庞大的计算成本难以满足工程需要．随着计算机性能的大幅提高，数值模拟成为研究沟槽减阻效果及减阻机理的重要方法．一些学者采用基于浸入边界技术和控制体积法等数值模拟技术分析了毫米级刚性面沟槽的减阻效果．文献［７－１０］采用数值模拟方法对不同沟槽壁面流动进行了研究．文献［１１－１２］在沟槽减阻的实验等方面做了比较有代表性的工作，基于仿生模拟思想，研究了沟槽在风场和水流场作用下的减阻效果和减阻机制．
然而，以前绝大多数的学者所研究的沟槽的尺寸都在毫米级，对于临近空间飞艇的蒙皮材料它的强度㊁ 耐候性㊁ 阻隔性都有很高的要求［１３］，并
第７期谭惠丰，等：三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析㊃ ３３㊃
且蒙皮的厚度都很薄，因此在蒙皮上使用毫米级的微沟槽是不现实的．因此有必要对微米甚至纳米级的微沟槽进行研究．
２㊀计算模型和离散化
如图１所示，计算模型前端导引段１０ｍｍ，沟槽为１０ｍｍ，尾部稳流段３０ｍｍ，高度为１５ｍｍ，计算简化为２Ｄ平面计算问题，计算区域整个纵深为单位宽度（１０００ｍｍ）．采用Ｖ型沟槽，对不同尺寸的沟槽分为９种工况进行模拟．沟槽尺寸如表１所示．来流速度为１０ｍ／ｓ，气相密度为０ ０８８９１ｋｇ／ｍ３，动力黏性系数：１．４２１６ˑ １０－５（ｋｇ㊃ｍ）／ｓ，采用四边形结构化网格划分，对沟槽处进行网格加密使得近壁面Ｙｐｌｕｓ＜０ ３．
s
入口
微观沟槽10
10
30h
15
出口
１㊀理论模型
本文使用ｋ－ωＳＳＴ湍流模式计算．ＳＳＴ湍流模
型的优点在于其综合了常用湍流模型ｋ－ε模型在边界层外部独立性的特点，以及近壁面ｋ－ω模型的稳定性的特点．ｋ－ωＳＳＴ模型由ＢＳＬ模型和涡粘度的限制方程共同组成的，其中，ＢＳＬ模型为μｔöρｋ）éæùú＋＋∇㊃（ρＵｋ）＝∇㊃ê∇ｋ＋ç÷μêú∂ｔëèûｋ３ø
Ｐｋ－βᶄρｋω＋Ｐｋｂ，
μｔöρω）éæùú＋＋∇㊃（ρＵω）＝∇㊃ê㊀ ∇ω＋ç÷μêú∂ｔσω３øëèû
ω
α３Ｐｋ－β３ρω２＋（１－ｋ
１
Ｆ１）２ρ∇ｋ∇ω＋Ｐωｂ．
ω２ω
式中：ｋ为湍动能；μ为流体黏性系数；μｔ为湍流黏㊀
㊀ ㊀ 沟槽减阻涉及宏观大尺度模型中微观沟槽内精细流场的数值计算，计算量大㊁ 计算精度要求高．本数值计算选用了比传统湍流模式精度更高的ＳＳＴ湍流模式，近壁面进行低Ｒｅ修正．选取高精度湍流模式，需要精细的网格支持，模型建立和数值计算工作量相应增大．
图１㊀模型示意图和网格划分
５
度，各项系数分别为βᶄ＝０ ０９㊁α１＝㊁ β＝
９１
０ ０７５㊁σｋ１＝２㊁σω１＝２㊁α２＝０ ４４㊁β２＝０ ０８２８㊁σｋ２＝１㊁σω２＝
１
．Ｐ㊁ Ｐ分别为浮力引起的湍８５６ｋｂωｂ
动能项；Ｐｋ为黏性力引起的湍动能项，表达为Ｐｋ＝μｔ∇Ｕ㊃ （∇Ｕ＋∇ＵＴ）－关系
㊀ ㊀ 湍流黏度μｔ与湍动能ｋ和耗散率ε具有以下
ｋ２
μｔ＝Ｃμρ．
ε
ａ１ｋ
２
∇㊃ Ｕ（３μｔ∇㊃ Ｕ＋ρｋ）．３
３㊀计算结果
Ｖ型沟槽，当流动达到稳定的状态．总阻力可以分为压差阻力和黏性阻力两部分．减阻率η可以通过
ｆ平板－ｆ沟槽
η＝
ｆ平板
计算了１组光滑平板和９组不同宽度高度比的
㊀ ㊀ ＳＳＴ湍流模型中的涡黏度限制方程为
νｔ＝
式中：νｔ＝
μｔρ
ｍａｘ（ａ１ω，ＳＦ２）
．
（１）
来确定，其中ｆ为模型的流动阻力．减阻率η＞０表示由于微沟槽的存在使阻力减小，达到了减阻的目的；相反，如果η＜０微沟槽不但没有减小阻力，反而使阻力增加了．１０组模型的压差阻力㊁ 黏性阻力㊁ 总阻力和减阻率如表１所示．
；Ｆ２为混合函数；Ｓ为应变率的不变测度．
沟槽尺寸／μｍ１００ˑ ２５１００ˑ ５０
压差阻力／ｍＮ
２ １２２ ６６２ ７４３ ００３ ０６３ ０９３ １２３ １２０㊀０．８９
表１㊀不同工况的计算结果及减阻率
黏性阻力／ｍＮ１ ８２０００．６６８００．１１９０－０．０７８８－０．１５９０－０．１８１０－０．１７１０２ ８９００
总阻力／ｍＮ
２ ７１２ ７９２ ７８２ ６６２ ８４２ ８７２ ９１２ ９４２ ９５２ ８９
减阻率／％０．９７３３．３７０３．８１０７．９１０１．５４０－０．６１１－１．６００－１．９５００㊀０．６０２
工况１２３４５６７８１０９
１００ˑ ７５１００ˑ １００１００ˑ １２５１００ˑ １５０１００ˑ １７５１００ˑ ２００光滑平板１００ˑ ２２５
－０．１８４０－０ １８７０
㊃ ３４㊃ 哈㊀ 尔㊀ 滨㊀ 工㊀ 业㊀ 大㊀ 学㊀ 学㊀ 报㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ ㊀ 第４６卷㊀
㊀ ㊀ ７㊁８㊁９组由于高度宽度比太大，没有减小阻力反而增大了阻力；１组和６组减阻率还不到１％同样没有达到减阻的目的；只有４组的减阻率最高，减阻效果最明显，最高的减阻率达到了７ ９％．图２清楚地表示出不同组的减阻率的异同．
工况1
工况4
工况7
0. 080. 06
率
0. 04阻减0. 020-0. 02
1
2
3
45
6
7
8
9
工况
图２㊀不同工况下沟槽的减阻率分析
㊀ 槽减阻效率㊀ 由此可见，决定了沟槽减阻方法的有效性，沟槽的宽度高度比直接影响了沟．究其原因，本文认为减阻率跟沟槽中的流动形态有关．如图３所示，第１组沟槽的宽度高度比较大，没有２㊁３形成明显的流动涡，因此这组基本没有减阻效果．
部尖端的位置组形成了流动涡，３组的流动涡较，２组的流动涡仅仅在沟槽底２组大，位置更偏向于沟槽的中心，但仍然只是占据沟槽的小面积，所以这两组虽然起到了减阻的作用，但是效果不明显．４组的流动涡形态非常好，它的中心基本在沟槽的中心，流动涡的面积也是几组中最大的．沟槽上部分的流动涡方向与流体的主流动方向相同，它没有流出沟槽而聚集在沟槽的内部形成了所谓的 第２涡群 ， 形成的 第２涡群 减少了壁面与流体之间的剪切力，抑制了湍流的生长，相当于减少了壁面与流体的接触面积，此时沟槽中的流动涡相当于 滚动轴承 ． 这正是４组减阻率最高的原因．相反，５ ９组没有形成明显的流动涡，尤其是最后３组，沟槽内的流动涡复杂，方向也不一致，甚至形成了多个方向不同，相互作用的流动涡㊀ ，高的㊀ 这反而增加了流动阻力在所有模型的模拟结果中．
．为了更加清楚地将有沟槽和没有沟槽的结４组的减阻率是最１００果进行对比μｍ∗１００，本文选择光滑平板为μｍ微型沟槽为Ｂ组．图Ａ组，４组即
组即工况㊀ ４的速度场和压力场分布云图４表示了．Ｂ沟槽前段形成压力峰值点㊀ 从图４可知，沟槽改变平板表面压力分布，与逆来流方向侧沟槽．在的压力的差值构成单个沟槽的压差阻力，压差阻力顺来流方向向后逐渐减小．
工况2
工况5
工况8
工况3
工况6
工况9
图３㊀
不同工况下沟槽内部流线形状
（ａ）速度场
图４㊀工况４速度场和压力场分布云
（ｂ）压力场
㊀ 以看出㊀ 从图，沟槽减小表面剪切应力５沟槽及光滑平板表面剪切应力分布可，甚至产生逆来流方向的剪切应力，整体剪切应力值远小于光滑平板剪切应力值．
54/P a 力3应剪面2壁1
B 组A 组0
0. 002
0. 004x /m
0. 006
0. 008
0. 010
图５㊀有无沟槽表面切应力分布
第７期谭惠丰，等：三角形微沟槽飞艇蒙皮表面的流场分析㊃ ３５㊃
５ ０㊁７ ５㊁１０ ０ｍｍ布置速度监测点，图６为工况Ａ与工况Ｂ边界层内监测点速度分布曲线及其对比关系．可以看出，沟槽平板黏性底层速度大于光滑平板，而沟槽平板的速度梯度较光滑平板小，因此，布置沟槽有利于降低平板的黏性阻力，但这也是以增加压差阻力为代价的．总之，沟槽要满足减小黏性阻力，并且要不明显地增加压差阻力才能达到最终的减阻目的．
12
㊀ ㊀ 沿来流方向，分别在距离沟槽平板前端２ ５㊁
现沟槽的形状能够影响减阻效率，宽高比过大或过小的沟槽减阻率都很差，减阻率高的沟槽能够形成充满整个沟槽的规则涡．
３）通过优化微沟槽形貌，获得了减阻率８％
２）通过对不同高度的Ｖ型沟槽进行分析发
的微沟槽尺寸设计，计算证明了临近空间飞艇蒙皮利用微沟槽减阻的有效性．
参考文献
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)
10-1/(m ? s 8度6速42B 组10
A 组10
0. 010. 10
12Y /m m
1. 00
10. 00
10
)
-1
8/(m ? s 速度642B 组7. 5
A 组7. 500. 01
0. 10
12
Y /m m
1. 00
10. 00
10-1(m ? s )
8度/6速42B 组5. 0
A 组5. 000. 01
0. 10
1. 00
10. 00
12Y /m m
10
)
-18? s /(m 6度速42
B 组2. 5
0A 组2. 50. 01
0. 10
1. 00
10. 00
图６ 有无沟槽沿流向边界层速度分布
Y /m m
４㊀结１）本文对微米尺度的㊀ 论
行了分析．其减阻机理在于沟槽内部形成的漩涡Ｖ型沟槽减阻机理进
能够减小壁面与流体之间的壁面剪应力，使滚动摩擦代替滑动摩擦．
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