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利用DesignModeler模块建立了2D模型,其中流体计算域总长度为130.5mm,宽度为45mm,流动方向沿X轴正

作者:慕容鉴史

利用DesignModeler模块建立了2D模型,其中流体计算域总长度为130.5mm,宽度为45mm,流动方向沿X轴正向。

考虑到激光器加工特征尺寸、油漆涂层厚度、激光与漆面相互作用等限制,在模拟中,选择的微沟槽周期p为250~400μm、沟槽深度h为10~30μm、结构单元为半弧形、宽度d为80μm。

为了使湍流充分发展,将计算域中间底端处设置为微结构区域,长度为4.5mm,对应顶端处为光滑对比区域,半弧形沟槽单元在微结构区域周期性分布。

入口设置为velocity-inlet边界条件,出口为pressure-outlet边界条件,上下壁面为wall边界条件。

基于汽车减阻研究,选择空气流速为33.3m/s(约120km/h)。网格划分的数量和质量对仿真计算效率和结果准确性有重要的影响。

微沟槽结构区域和光滑对比区域,位于边界层内部,对流动影响大,需要合理设置膨胀层进行加密,以获得好的计算结果。

而远离微沟槽结构和光滑对比表面的区域,对流动影响小,可以设置较大的整体网格尺寸,以提高计算的效率。

基于Mesh模块对流体域进行网格划分,其中将膨胀层数设置为10、增长率为1.05、总厚度为30μm、默认前处理膨胀算法,将整体单元尺寸设置为500μm、增长率为1.2。

通过正交质量参数判断了网格的生成质量。本研究中所生成网格的最小正交质量参数为0.59,网格生成结果满足求解要求。

湍流模型,是指定义湍流输运项的一组代数或微分方程,利用这组方程,可以使雷诺方程得以封闭。

它根据对湍流过程的假定,并利用经验常数或函数,将收敛残差设置为10-5,待数值稳定后,分别计算了不同周期与不同深度的微沟槽结构模型的阻力。

为了直观地反映减阻结果,将仿真数据进行减阻率计算。不同周期条件下的微沟槽结构模型减阻率曲线。

可以看出,在一定风速下,本研究所设计的半弧形微沟槽结构有利于减小气动阻力。

随着微沟槽周期的逐渐增大,减阻率呈现出先增加后减小的变化趋势,其变化规律近似于高斯分布。

在33.3m/s的风速条件下,当沟槽深度为20μm时,周期为300μm的微沟槽结构减阻效果最佳,最大减阻率达到6.50%。

为不同深度条件下的微沟槽模型减阻率曲线。可以看出,当微沟槽周期一定时,沟槽深度对模型的减阻性能有着重要的影响,其减阻率曲线同样近似于高斯分布,且最佳减阻深度在20μm附近。

综合分析理论模拟结果,周期为300μm、深度为20μm的微沟槽减阻表现较好,得到了最佳减阻效果。

本章首先分别介绍了湍流边界层及其划分、流体流动的基本控制方程和常用的湍流数值模拟方法,然后利用Fluent软件模拟分析了周期和深度参数对微沟槽结构气动阻力的影响,得到了不同微沟槽结构的减阻效果及其特征尺寸对减阻效果的影响规律。

模拟结果表明,随着微沟槽结构周期和深度的逐渐增大,减阻率均呈现出先增加后减小的变化趋势。在33.3m/s的风速条件下,当微沟槽结构周期为300μm、深度为20μm、宽度为80μm时,获得最佳减阻效果,其最大减阻率可达6.50%,这一结果为油漆表面微沟槽结构特征尺寸加工提供了理论参考。

通过外形设计尽可能减小汽车在行驶过程中所受到的风阻是车辆减阻的重要手段。

目前,汽车外表面均喷漆形成光滑表面,科学研究表明,非光滑表面或有序微观结构的表面更容易达到减阻的效果。

因此,漆面设计和仿生织构化有望形成汽车表面减阻新技术,促进节能环保型汽车的技术革新。

汽车油漆为研究对象,采用不同波长的激光在油漆表面制备微结构,分析了激光加工功率、扫描次数和扫描速度等加工参数对油漆表面微结构形貌的影响,从实验技术层面上验证了激光加工技术在油漆表面制备微结构的可行性。

激光,又称受激辐射光放大,是一种因激发产生辐射而增强的光。相对于普通光源,激光具有方向性好、亮度更高、单色性强、能量值大、相干性好的优势,已被广泛应用于材料加工、空间通信、生物医学等众多领域。

激光微加工的基本原理就是将高能量的激光束经过聚焦后照射到待加工材料的表面,材料表面吸收激光能量转化为其内能而使自身温度在短时间内迅速升高,被加工部分的材料性质因此发生变化产生熔融、气化等现象,进而被剥离出材料基体从而达到加工的目的。

激光束具有极佳的方向性,利用光路调整可以实现在不同方位上的转换,与数控系统配合能够实现对复杂异形工件的精细加工,是一种非常灵活的加工手段;

激光微加工技术是一种无接触式的加工手段,相比于传统机械刻划或超精密切削加工等技术,在加工过程中不会产生刀具的磨损等情况;

激光微加工为局部加工,对非加工表面影响很小。激光束能量密度大、与材料作用时间很短,因而被加工材料热变形小、热影响区小、无需后续工艺处理。

利用DesignModeler模块建立了2D模型,其中流体计算域总长度为130.5mm,宽度为45mm,流动方向沿X轴正
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