基于双向流固耦合的柔性表面仿生减阻研究

随着科学技术的发展，低碳环保的理念已深入人心，减阻问题对于机械交通工具的能源消耗具有非常重要的意义。本文以海豚表皮为生物原型，将海豚表皮的真皮嵴结构特征提取为：不同流速下，研究柔性聚氨酯弹性体的减阻效果。以Workbench为背景，采用Transition SST的湍流模型，对柔性聚氨酯弹性体平板表面进行双向流固耦合算法的仿真计算。仿真结果表明：与刚性平板相比，柔性聚氨酯弹性体平板在3~20 m/s的流速范围内均具有减阻效果，且流速高于10 m/s时，减阻率可达到10%以上；聚氨酯弹性体平板极大地缩短了较大的剪切应力段，从而降低了柔性聚氨酯弹性体表面的摩擦阻力。

在航海与航空领域，减阻问题已成为其亟待解决的问题之一。船舶在低速航行时，摩擦阻力约占总阻力的70%~80%，在高速航行时，约占40%~50%。按边界层中与流体介质接触表面的弹性大小，减阻技术可分为刚性表面减阻技术和柔性表面减阻技术。刚性表面减阻技术的特点是与流体介质接触的表面具有一定的形状，且随流体介质的加入形状基本不发生变化，常见的主要有沟槽法[1]，低表面能法[2]。

而柔性表面减阻技术的特点是与流体介质接触的表面是柔性的，且具有较小的弹性模量和较大的形变能力。除了有减阻作用，柔性表面还具有降噪的效果，且不需要额外的能量输入等优点，对能源消耗的减少具有很重要的意义。

自1960 年Kramer [3]的柔顺壁减阻实验获得60%的减阻效果以来，仿生柔顺壁减阻引起了许多科学家的兴趣。根据文献[4]，柔性材料作为减阻材料，应满足剪切模量与水动压力同量级、密度与水接近、较小的阻尼以及较好的防水性的条件，因此，本文选择聚氨酯弹性体作为仿真对象。

本文以海豚表皮为生物原型，将海豚表皮的真皮嵴结构形状特征提取为：不同雷诺数流场条件下， 以聚氨酯弹性体为材料原型，研究其在相对较广的速度域流场内的减阻效果。与此同时，为智能化仿生减阻的探究奠定基础。

2. 模型建立 ANSYS 的双向流固耦合是一种隐式耦合算法。这种算法不同于其他软件的显式算法。因为耦合算法时间步长可以取的很大，软件会通过耦合时间步内的交错循环来保证每个时间步都是真实的收敛解；而显式耦合算法耦合时间步长要求很小才行，耦合时间步长太大会不收敛，另外每个耦合时间步内没有交错循环，所以在任何情况下，每个耦合时间步内只计算一次就进行到下一个耦合计算时间步计算，如果时间步长不是足够的小，可能会导致非定常计算结果的不真实。因此，本文选择双向流固耦合算法。

本文在耦合计算中采用流场先行的计算顺序、压力基-瞬态分离求解的方式， 即先求解流场控制方程，