基于滑移边界的水翼流动分离控制方法

本申请属于流动控制，尤其涉及一种基于滑移边界的水翼流动分离控制方法。

背景技术：

1、水翼在船舶与海洋工程中具有广泛的应用，水翼可装配于水下滑翔机、跨介质航行器和潮汐能发电装置等设备中，在水翼在水下运行过程中，水翼的外表面与水流接触并可被称为流固边界，传统的流固边界称为无滑移边界，流体和固体没有相对运动，流体的速度、温度与固壁相同。相关技术中，当水翼的翼型攻角增大或来流速度加快时，流体由于黏性在翼型吸力面上近壁面区域动量逐渐消耗，速度减慢，形成逆压梯度，逆压梯度逐渐增大进而使得边界层内流动产生分离，流动分离会引起水翼升力下降并诱发水翼振动。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，能够在水翼表面建立滑移边界，将流动分离点朝水翼尾缘推迟，进而抑制水翼的流动分离来提高升阻比。

2、本申请实施例提供了一种基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，该水翼流动分离控制方法包括获取与待建立滑移边界的水翼的设计攻角信息，其中，水翼的结构面包括彼此相对的吸力面和压力面，水翼在水下航行过程中的流动分离点位于吸力面；在设计攻角信息属于预设大攻角范围的情况下，在吸力面和压力面以满布的方式建立滑移边界；在设计攻角信息属于预设小攻角范围的情况下，从吸力面确定待建立滑移边界的目标区域；其中，目标区域起始于水翼的前缘且目标区域的范围能够表征水翼的升阻比大小；在目标区域的结构面上建立滑移边界，以将流动分离点朝水翼的尾缘推迟来抑制水翼的流动分离；其中，滑移边界至少包括超疏水涂层和滚轮组中的任意一者。

3、在一些实施例中，超疏水涂层在水下能够成型可滑移的气液界面，超疏水涂层呈连续的层状形态且包括基底层和纳米层，基底层被构造为使其位于水翼的结构面与纳米层之间以将纳米层粘结至结构面。

4、在一些实施例中，在滑移边界包括超疏水涂层的情况下，在目标区域的结构面上建立滑移边界，以将流动分离点朝水翼的尾缘推迟来抑制水翼的流动分离，包括：清理水翼中与目标区域对应的结构面得到第一目标面；在第一目标面上设置基底层，得到远离第一目标面的第二目标面；在第二目标面上喷涂纳米层以将纳米层粘结至基底层，得到位于目标区域的滑移边界。

5、在一些实施例中，纳米层为聚合物和纳米颗粒的混合物，相邻的纳米颗粒之间具有间隙以在滑移边界形成气层。

6、在一些实施例中，基底层为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

7、在一些实施例中，滚轮组包括多个滚轮，多个滚轮间隔地安装于目标区域，多个滚轮在来流作用下转动以使流体与水翼的结构面相对运动。

8、在一些实施例中，在设计攻角信息属于预设小攻角范围的情况下，从吸力面确定待建立滑移边界的目标区域，包括：以水翼的前缘为基准位置从水翼的吸力面选定第一目标点位；基于第一目标点位和预设的第一梯度，在水翼的吸力面确定多个待测区域；分别在多个待测区域建立滑移边界，并分别测试处于同一攻角的水翼在多个待测区域下的升力系数，得到多个第一测试值；基于同一攻角下的多个第一测试值中筛选出数值最大的第一目标测试值，并确定与目标测试值对应的待测区域，作为目标区域。

9、在一些实施例中，基于同一攻角下的多个第一测试值中筛选出数值最大的第一目标测试值，并确定与目标测试值对应的待测区域，作为目标区域之后，方法还包括：基于目标区域的长度和对应的水翼弦长，确定与目标区域对应的相对滑移长度；其中，相对滑移长度用于表征目标区域的长度相对于水翼弦长的比例。

10、在一些实施例中，在滑移边界包括超疏水涂层的情况下，在目标区域的结构面上建立滑移边界，以将流动分离点朝水翼的尾缘推迟来抑制水翼的流动分离之前，方法还包括：确定超疏水涂层在水翼结构面上的基准厚度d，其中，基准厚度满足：8μm≤d≤12μm；基于基准厚度d和预设的第二梯度，确定多组待测试的涂层厚度；分别在目标区域上设置与多组待测试的涂层厚度对应的超疏水涂层，并测试对应的水翼升力系数得到多个第二测试值；从多个第二测试值中筛选出数值最大的第二目标测试值，并确定与第二目标测试值对应的涂层厚度，作为目标厚度。

11、在一些实施例中，在滑移边界包括滚轮组的情况下，在目标区域的结构面上建立滑移边界，以将流动分离点朝水翼的尾缘推迟来抑制水翼的流动分离之前，方法还包括：在目标区域确定滚轮组设置的起始位置；基于起始位置和预设的第三梯度，确定滚轮组中相邻的任意两个滚轮之间的多个间隔值；以起始位置为起点，分别以多个间隔值在目标区域设置滚轮组，并测试对应的水翼升力系数得到多个第三测试值；从多个第三测试值中筛选出数值最大的第三目标测试值，并确定与第三目标测试值对应的间隔值，作为目标间隔值。

12、本申请实施例提供的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，能够针对水翼的设计攻角信息，在水翼的结构面上确定合适的目标区域来建立滑移边界；在水翼的使用场景覆盖较多的大攻角状态时，可在水翼的吸力面和压力面以满布的方式建立滑移边界来抑制水翼的流动分离，在水翼无需调整至大攻角姿态的情况下，通过在吸力面上选取合适的目标区域来建立滑移边界能够在节省材料的同时抑制流动分离。滑移边界可以是超疏水涂层和滚轮组的组合，通过设置滑移边界使得水翼壁面具有滑移速度并增加滑移长度，进而使得流道分离点朝水翼尾缘推迟，减小水翼尾部的涡脱落区域，抑制流动分离；滑移边界的制作工艺简单，无需进行复杂结构加工和额外的能量输入。

技术特征：

1.一种基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，所述超疏水涂层在水下能够成型可滑移的气液界面，所述超疏水涂层呈连续的层状形态且包括基底层和纳米层，所述基底层被构造为使其位于所述水翼的结构面与所述纳米层之间以将所述纳米层粘结至所述结构面。

3.根据权利要求2所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，在所述滑移边界包括所述超疏水涂层的情况下，所述在所述目标区域的结构面上建立滑移边界，以将所述流动分离点朝所述水翼的尾缘推迟来抑制所述水翼的流动分离，包括：

4.根据权利要求2或3所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，所述纳米层为聚合物和纳米颗粒的混合物，相邻的所述纳米颗粒之间具有间隙以在所述滑移边界形成气层。

5.根据权利要求2或3所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，所述基底层为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

6.根据权利要求1或2所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，所述滚轮组包括多个滚轮，所述多个滚轮间隔地安装于所述目标区域，所述多个滚轮在来流作用下转动以使流体与所述水翼的结构面相对运动。

7.根据权利要求1所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，所述在所述设计攻角信息属于预设小攻角范围的情况下，从所述吸力面确定待建立滑移边界的目标区域，包括：

8.根据权利要求7所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，所述基于同一攻角下的多个所述第一测试值中筛选出数值最大的第一目标测试值，并确定与所述目标测试值对应的待测区域，作为目标区域之后，所述方法还包括：

9.根据权利要求1或7所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，在所述滑移边界包括所述超疏水涂层的情况下，所述在所述目标区域的结构面上建立滑移边界，以将所述流动分离点朝所述水翼的尾缘推迟来抑制所述水翼的流动分离之前，所述方法还包括：

10.根据权利要求1或7所述的基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，其特征在于，在所述滑移边界包括所述滚轮组的情况下，所述在所述目标区域的结构面上建立滑移边界，以将所述流动分离点朝所述水翼的尾缘推迟来抑制所述水翼的流动分离之前，所述方法还包括：

技术总结本申请实施例提供了一种基于滑移边界的水翼流动分离控制方法，该水翼流动分离控制方法包括获取与待建立滑移边界的水翼的设计攻角信息，水翼在水下航行过程中的流动分离点位于吸力面；在吸力面和压力面以满布的方式建立滑移边界；或者从吸力面确定待建立滑移边界的目标区域；在目标区域的结构面上建立滑移边界，以将流动分离点朝水翼的尾缘推迟来抑制水翼的流动分离。本申请能够针对水翼的设计攻角信息，在水翼的结构面上确定合适的目标区域来建立滑移边界，通过设置滑移边界使得水翼壁面具有滑移速度并增加滑移长度，进而使得流道分离点朝水翼尾缘推迟，减小水翼尾部的涡脱落区域，抑制流动分离。技术研发人员：李宏源,段慧玲,彭迪,吕鹏宇,徐保蕊受保护的技术使用者：北京大学技术研发日：技术公布日：2024/7/25