本發(fā)明屬于流體力學(xué)，尤其涉及基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、流變儀作為常用的測試微結(jié)構(gòu)減阻效果的檢測方式，以其精度高、檢測效果優(yōu)異、使用便捷而廣泛使用。然而，目前缺少流變儀測試微結(jié)構(gòu)減阻性能并對微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的仿真方法。

3、在航空、船舶、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛存在著流體阻力，減小這些阻力可以有效地提高能源效率，節(jié)約能源。水泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械作為能源消耗大戶，被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。利用仿生微結(jié)構(gòu)對流體阻力進(jìn)行降低是一種廣泛應(yīng)用的方法。

4、目前通常使用有限體積法仿真來對微結(jié)構(gòu)減阻性能進(jìn)行預(yù)測和分析，然而流變儀作為測量微結(jié)構(gòu)減阻的常用實(shí)驗(yàn)方法，卻缺少對其的仿真預(yù)測及設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中存在的至少一項(xiàng)技術(shù)問題，本發(fā)明提供基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品，其對簡化后的流變儀建立模型，并將其與具有微結(jié)構(gòu)的表面相結(jié)合，利用有限體積法對流變儀測試減阻的情況進(jìn)行仿真模擬可以大幅降低實(shí)驗(yàn)成本以及實(shí)驗(yàn)次數(shù)，分析其減阻機(jī)理與減阻率的對應(yīng)關(guān)系，并且利用仿真與正交分析相結(jié)合以指導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一方面提供基于流變儀的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化仿真方法，包括如下步驟：

4、根據(jù)流變儀的整體尺寸選取微結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的取值范圍；

5、基于微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的取值范圍設(shè)計(jì)正交表；

6、基于正交表和構(gòu)建的流變儀測試微結(jié)構(gòu)減阻效果仿真模型，對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，得到不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息；

7、對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息，進(jìn)行不考慮各微結(jié)構(gòu)參數(shù)間交互作用的方差分析，得到不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸在流變儀不同轉(zhuǎn)速下對減阻率和壁面剪切力的影響趨勢；

8、對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息，進(jìn)行考慮各微結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面擬合，將不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸在流變儀不同轉(zhuǎn)速下對減阻率和壁面剪切力的影響趨勢作為因變量，優(yōu)化得到流變儀不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最優(yōu)微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

9、進(jìn)一步地，微結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍的計(jì)算公式為：

10、，

11、,

12、，

13、其中，即為無量綱化的微結(jié)構(gòu)參數(shù)，是具有量綱的結(jié)構(gòu)尺寸；是流體的運(yùn)動(dòng)粘度；是壁面剪切速度；是壁面剪切應(yīng)力；為流體的密度；為水力直徑。

14、進(jìn)一步地，所述基于微結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍設(shè)計(jì)正交表包括：設(shè)計(jì)得到的正交表為三因素五水平正交表，三因素對應(yīng)三個(gè)變量，即微結(jié)構(gòu)的底、間距、高，五水平代表每個(gè)變量有五個(gè)不同的取值，根據(jù)正交表確定不同仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)。

15、進(jìn)一步地，流變儀測試微結(jié)構(gòu)減阻效果仿真模型的尺寸的確定包括：轉(zhuǎn)子的建模尺寸和整體流域尺寸直徑和轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子底面樣品和轉(zhuǎn)子直徑之間的關(guān)系。

16、進(jìn)一步地，對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，包括仿真參數(shù)的確定，所述仿真參數(shù)包括邊界條件、采用的算法、模型的精度及收斂條件、網(wǎng)格的劃分和網(wǎng)格的精度驗(yàn)證。

17、進(jìn)一步地，所述對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，得到不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息，包括：

18、針對流場過軸線的微結(jié)構(gòu)的截面，提取微結(jié)構(gòu)邊緣處的速度沿y坐標(biāo)的變化規(guī)律，分析其速度梯度，提取率大于轉(zhuǎn)子部分的湍流動(dòng)能沿y坐標(biāo)的變化規(guī)律，分析其湍流動(dòng)能。

19、進(jìn)一步地，以具有間距的等腰三角形作為微結(jié)構(gòu)，選取的微結(jié)構(gòu)參數(shù)包括三角形的底、高和間距。

20、進(jìn)一步地，減阻率根據(jù)統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)子受到的扭矩計(jì)算得到，所受的壁面剪切力根據(jù)壁面剪切力對待測樣品的上表面進(jìn)行積分得到。

21、本發(fā)明的第二方面提供基于流變儀的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化仿真系統(tǒng)，包括：

22、微結(jié)構(gòu)參數(shù)初步確定模塊，其用于根據(jù)流變儀的整體尺寸選取微結(jié)構(gòu)參數(shù)，計(jì)算微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸的取值范圍；

23、正交表設(shè)計(jì)模塊，其用于基于微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的取值范圍設(shè)計(jì)正交表；

24、正交仿真模塊，其用于基于正交表和構(gòu)建的流變儀測試微結(jié)構(gòu)減阻效果仿真模型，對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，得到不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息；

25、參數(shù)優(yōu)化模塊，其用于對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息，進(jìn)行不考慮各微結(jié)構(gòu)參數(shù)間交互作用的方差分析，得到不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸在流變儀不同轉(zhuǎn)速下對減阻率的影響趨勢；對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息，進(jìn)行考慮各微結(jié)構(gòu)參數(shù)交互作用的響應(yīng)曲面擬合，將不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸在流變儀不同轉(zhuǎn)速下對減阻率的影響趨勢作為因變量，優(yōu)化得到流變儀不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最優(yōu)微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

26、本發(fā)明的第三方面提供一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。

27、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述所述的基于流變儀的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化仿真方法中的步驟。

28、本發(fā)明的第四方面提供一種計(jì)算機(jī)設(shè)備。

29、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括存儲(chǔ)器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時(shí)實(shí)現(xiàn)如上述所述的基于流變儀的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化仿真方法中的步驟。

30、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

31、1、本發(fā)明對簡化后的流變儀進(jìn)行模型的建立，并將其與具有微結(jié)構(gòu)的表面相結(jié)合，利用有限體積法對流變儀測試減阻的情況進(jìn)行仿真模擬可以大幅降低實(shí)驗(yàn)成本以及實(shí)驗(yàn)次數(shù)，分析其減阻機(jī)理與減阻率的對應(yīng)關(guān)系，并且利用仿真與正交分析相結(jié)合以指導(dǎo)微結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

32、2、本發(fā)明通過建立流變儀與微結(jié)構(gòu)表面相結(jié)合的模型，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同轉(zhuǎn)速下微結(jié)構(gòu)的減阻率，從速度、湍流動(dòng)能等方面分析了其減阻機(jī)理，彌補(bǔ)了流變儀減阻實(shí)驗(yàn)沒有仿真分析機(jī)理的缺陷。

33、3、本發(fā)明通過指定壁面剪切力（specified?shear）模擬水平面、指定移動(dòng)壁面（moving?wall）模擬轉(zhuǎn)子的方式，更加貼合流變儀實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)際情況，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差為10%以下，具有指導(dǎo)意義。

34、4、本發(fā)明通過方差分析與響應(yīng)曲面分析相結(jié)合，得出了流變儀不同轉(zhuǎn)速下的更貼合實(shí)際的最優(yōu)微結(jié)構(gòu)減阻參數(shù)以及減阻率隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，從而得到流變儀不同轉(zhuǎn)速下對應(yīng)的最優(yōu)微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

35、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

技術(shù)特征：

1.基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，微結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值范圍的計(jì)算公式為：

3.如權(quán)利要求1所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，設(shè)計(jì)得到的正交表為三因素五水平正交表，三因素對應(yīng)三個(gè)變量，即微結(jié)構(gòu)的底、間距、高，五水平代表每個(gè)變量有五個(gè)不同的取值，根據(jù)正交表確定不同仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)。

4.如權(quán)利要求1所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，流變儀測試微結(jié)構(gòu)減阻效果仿真模型的尺寸的確定包括：轉(zhuǎn)子的建模尺寸和整體流域尺寸直徑和轉(zhuǎn)子直徑、轉(zhuǎn)子底面樣品和轉(zhuǎn)子直徑之間的關(guān)系。

5.如權(quán)利要求1所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，包括仿真參數(shù)的確定，所述仿真參數(shù)包括邊界條件、采用的算法、模型的精度及收斂條件、網(wǎng)格的劃分和網(wǎng)格的精度驗(yàn)證。

6.如權(quán)利要求1所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，所述對不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行流體動(dòng)力學(xué)仿真，得到不同微結(jié)構(gòu)參數(shù)尺寸下的流場信息，包括：

7.如權(quán)利要求1所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，以具有間距的等腰三角形作為微結(jié)構(gòu)，選取的微結(jié)構(gòu)參數(shù)包括三角形的底、高和間距。

8.如權(quán)利要求1所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于，減阻率根據(jù)統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)子受到的扭矩計(jì)算得到，所受的壁面剪切力根據(jù)壁面剪切力對待測樣品的上表面進(jìn)行積分得到。

9.基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)，其特征在于，包括：

10.一種程序產(chǎn)品，所述程序產(chǎn)品為計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，包括計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方法中的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于流體力學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，提供了基于流變儀仿真的微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)優(yōu)化方法、系統(tǒng)及產(chǎn)品，其技術(shù)方案為通過建立流變儀與微結(jié)構(gòu)表面相結(jié)合的模型，研究了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同轉(zhuǎn)速下微結(jié)構(gòu)的減阻率，從速度、湍流動(dòng)能等方面分析了其減阻機(jī)理，彌補(bǔ)了流變儀減阻實(shí)驗(yàn)沒有仿真分析機(jī)理的缺陷。通過方差分析與響應(yīng)曲面分析相結(jié)合，得出了流變儀不同轉(zhuǎn)速下的更貼合實(shí)際的最優(yōu)微結(jié)構(gòu)減阻參數(shù)以及減阻率隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，從而化出不同轉(zhuǎn)速下最優(yōu)的微結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：滿佳,袁志祎,蘇常偉,王雪仁,高晟耀,鄒振海,李建勇,張艷濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19