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专利号: 2018115465029
申请人: 江苏理工学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法,其特征在于,该方法由以下步骤组成:

(1)建立模型:使用Icem软件构建二维微结构表面的流体模型,

先建立原点,再依次以原点为参考点建立节点,整体尺寸为长为2mm,宽为0.5mm,微结构尺寸为凹槽宽a=50μm,凸起宽b=40μm,凹槽深h=25μm;

(2)网格划分:定义模型的左端为入口、右端为出口,其他为壁面,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,关联完成后设置微结构处的网格类型为O型网格,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,确保计算的精确性,生成mesh文件,输出mesh文件时选择类型为2d;

(3)求解运算:计算求解所使用的计算模型为层流Laminar和VOF模型,材料设置中添加液态水,相位设置中air为第一相,water‑liquid为第二相,边界条件采用速度入口与压力出口;初始化时在Adapt中生成两个寄存器,定义寄存器1微结构内水的体积为0,寄存器2其他流体部分水的体积为1,monitors中计算收敛精度调整为0.00001,运行计算直至残差曲线收敛,保存case&data文件;

(4)数据处理:点开GraphicsandAnimations选项,在Contours和Vectors中查看保存速度、压力云图以及速度矢量图,在surface选项中设置气液交界面以及模型中间四分之一部分的左右两条线作为数据输出的对象,在plots中用XYplot方式输出交界面速度参数,在reports选项中选择surfaceintergal,类型是面加权平均值,输出压力为总压力,得到两条线上的加权平均压力值,两值相减可获得压差值为44.59778,光滑表面上相同位置的压差值为49.9806,计算得减阻率为9.35%;

(5)优化参数:通过观察本案例的减阻率、压力云图、速度云图,对模型参数进行优化,设定下组微结构尺寸为凹槽宽a=50μm,凸起宽b=34μm,凹槽深h=25μm,求解得到减阻率为

11.72%;继续改变微结构尺寸为凹槽宽a=50μm,凸起宽b=25μm,凹槽深h=25μm,求解得到减阻率为25.61%;微结构尺寸为凹槽宽a=50μm,凸起宽b=10μm,凹槽深h=25μm,求解得到减阻率为35.7%;

所述步骤(1)中建立模型是使用Cad、Caxa、Icem绘图软件构建微结构表面的流体模型,微结构尺寸可在模型中进行调整;

所述步骤(2)网格划分需定义模型的出入口和壁面部分,对模型进行块的建立与划分,每个微结构需要划分为一个独立的块,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,确保输出高质量的网格,保证计算的精确性,输出的mesh文件类型选择2d。

2.根据权利要求1所述的具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法,其特征在于:所述步骤(3)求解运算所使用的计算模型为VOF模型,针对不同流体状态可选择层流Laminar/湍流k‑ε,采用速度入口与压力出口,在Adapt中生成两个寄存器,初始化定义寄存器1微结构内水的体积为0,寄存器2其他流体部分水的体积为1。

3.根据权利要求1所述的具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法,其特征在于:所述步骤(4)的数据处理方式为选取关键的点处的速度、压力作为数据输出的对象,压力参数选择报告选项中的面积分,类型选择为面加权平均值,选择模型中间四分之一段的左右两条线为压力输出对象,对比光滑表面与微结构表面的压差值,并采用(ΔP光‑ΔP微)/ΔP光计算得到减阻率。

4.根据权利要求1所述的具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法,其特征在于:所述步骤(5)的优化参数方法为通过对比数个案例的减阻率、压力云图和速度云图,对模型参数进行优化,通过优化求解的多次循环,得到最优参数区间。

5.根据权利要求1‑4任一项所述的具有减阻效果的表面微结构尺寸参数的优化设计方法,其特征在于:该方法可运用于航运、管道运输领域的减阻表面的研发设计过程。