肋条减阻
A辑第14卷第3期 水动力学研究与进展 Ser.A,V o l.14,N o.3
1999年9月 JOU RNAL O F H YDROD YNAM I CS Sep.,1999
肋条减阻①
梁在潮 梁 利
(武汉水利电力大学,武汉430072)
摘 要 随着世界上能源消耗的不断上升,使人们不得不认真考虑如何有效的保护有限的能
源,探求节约能源的新技术和新方法。湍流减阻就是在这种应用背景下提出的新课题。经过二十多
年的努力,特别是湍流理论的发展,使得湍流减阻理论和应用得到了突破性的进展。就减阻技术
讲,有肋条减阻、聚合物减阻、大涡破碎减阻、吹气和吸气减阻、微气泡减阻等,这些减阻技术一个
共同的考虑,就是要控制边界层内的湍流结构,特别是拟序结构,减少湍能的耗损,以达到减阻的
目的。肋条减阻已在世界范围内广泛使用,但其减阻机理和使用条件,还有许多问题尚待解决,本
文较为系统地总结和分析了肋条减阻的研究成果,对肋条减阻的机理进行了分析,并对其工程应
用提出了建议。
湍流,肋条减阻,减阻技术
分类号 O357.5
1 肋条减阻概念的形成
肋条表面(表面上有纵向槽)可减小湍流表面摩阻的设想,是受下面一种或几种概念的启发而形成的。(1)改变边壁条件,有可能减小表面摩阻;(2)方形管道的角流,有减小表面摩阻的性能;(3)三角形管道的内角,有引起部分流动层流化的性能;(4)快速游动的鲨鱼,可能有改变边界层特性的表皮结构。
早在七十年代初,L iu和L angley进行了如图1所示的矩形肋条改变低速条带结构的试
验,图2为其猝发频率变化值。图中d+=d uΣΜ,s+=suΣΜ,h+=huΣΜ为无量纲值,d和s分别为低速条带宽和条带间距宽,h为肋条高;uΣ为表面摩阻速度;Μ为流体运动粘性系数;f和f s分别为矩形肋表面和光滑表面的猝发频率。图中三个黑点是L iu的试验点。这些点明显地表明猝发频率减少了20～25%;而当s+<100为,猝发频率迅速增大,这意味着s+<100为制约低速条带增长的重要区域;他们的试验还表明,当h+=47～70时,D D s=0.97,即阻力减少3～4?,D和D s分别为矩形肋表面和光滑表面的阻力,也即阻力减少3～4%。当h+=111时,阻力却增加15?。因此,边壁表面加肋能否减阻,与采用的肋高h+和间隔宽s+有重要关系。
1970年John son对鲨鱼的阻力特性进行过研究,他将死鲨鱼在水中拖曳,测量其阻力,得到的结果是,死鲨鱼在水中的阻力高于海豚的阻力8～10倍,他认为褐色鲨鱼的阻力大,是由
①本文于1997年7月16日收到。
图1 图
2
图3 图4 0.033mm 和0.076mm 肋条阻力特性
于鲨鱼有砂纸状的粗糙表面。后来R eif 等人对鲨鱼鳞的结构进行了详细的研究,否定了John 2
son 的结论,他们发现,鲨鱼鳞有四种功能:避免磨损、
避免寄生虫、减少阻力和发光。在减阻功能方面,当鲨鱼快速游动时,表皮上有精细间隔的鳞脊,鳞脊间有圆谷,鳞脊的排列基本上与流动方向平行,但当鲨鱼缓慢地游动时,这种鳞脊结构则不出现,死鲨鱼因鳞的位置已固定,当然无快速游动时的鳞脊结构的出现。R eif 推测,鲨鱼皮上的鳞脊可使边界层稳定,减小快速游动的阻力。图3为类似鲨鱼鳞(圆谷陡峰)的流向肋的减阻特性分布,图中D s 为光滑表面的阻力;D 为鲨鱼鳞状的肋条表面阻力。从图中看出,当s +<30时,阻力可减小7～8%,但应指出,试验的肋在流动方向是连续的。而鲨鱼鳞是不连续的,两者仍有区别。
2 肋条减阻性能曲线分析
2.1 肋条薄膜
图4、5为0.033mm ,0.076mm ,0.1145mm ,0.1524mm 的肋条薄膜低速阻力分布特性曲线,图中D D s =1.0的虚线为零减阻线,线以上为阻力增加,线以下阻力减小。从图中看出,当+403水 动 力 学 研 究 与 进 展 1999年第3期
图5 0.1143mm 和0.1524
mm 肋条阻力特性 图6
图7 h s >0.6 图8
h s <0.6
图9 图10
5
03梁在潮等:肋条减阻
2.2 V 形槽肋条如图6所示的V 形槽肋条,其高h 和间距s 比h s 对阻力起重要影响。图7和图8为h s >0.6和h s <0.6的V 形槽肋条的阻力分布特性。
从两图中的阻力分布可看出,D D s =1.0的零减阻线与阻力分布的相交点,随比值h s 的减小,s +增加,但最大阻力减小时的s +值,两种情况基本相同,s +≈12。从应用角度讲,小高横比h s 的肋条更有利,它可在更宽的操作范围内得到阻力减小的效应
。
图11 速度分布的对数区移动图 图12
2.3 U 形槽肋条
图9为h s =0.5的U 形槽肋条的阻力分布特性,从图中看出,最大的阻力减小值,近似与h s =1.0的V 形槽肋条的相同,大致为D D s =0.925,即减阻7.5%。
2.4 矩形肋条
L azox 和W ilk son 进行过不同高横比(h
s )的矩形肋条的阻力试验,图10为h s =0.4,0.8,1.0的矩形肋条的阻力分布。从图中看出,零减阻线与阻力特性线的相交点随h s 的减小而s +增加,与V 形槽肋条的减阻特性基本相似,但相交点的s +小于V 形槽肋条的值。3 肋条对湍流流动的影响和肋条减阻的物理过程
(1) 肋条对低速条带间距的影响
低速条带间距和长度的变化,在一定程度上反映表面阻力变化。V 形肋条、矩形肋条和圆
形肋条的试验表明,低速条带间距Κλ+可在±40～50之间变化,此变化与肋条的尺寸大小和
形状有关。V 形肋条产生±45?的低速条带间距变化,其相应的阻力变化,近似为±10?。我们进行的大尺度矩形肋条试验,用氢气泡显示技术反映出低速条带基本上出现在肋顶部,条带数与肋条数相当。
(2) 肋条对速度的影响
肋条对速度分布的作用,主要表现在使速度分布的对数区移动,或者说使边界层的近壁区厚度发生变化,此作用与添加剂减阻使对数区位置发生变化相类似。图11为速度分布的对数区移动图,图中实线为相应雷诺数R e 的光滑表面的速度分布,圆圈符号为肋条表面的速度分布;从图中看出,R e <1.7×106时,对数区上升,R e >1.7×106时,对数区下降。图12为图11速度分布转换的表面摩阻系数C f 与R e 的关系图。图中表明,对数区的移动与表面摩阻速度,
6
03水 动 力 学 研 究 与 进 展 1999年第3期
或表面摩阻系数有关。对数区向上移动,表示表面摩阻减小,对数区向下移,表示表面摩阻增加;此规律在沙粒粗糙表面上也已发现。
(3) 肋条对平均流速展向变化的影响
Hoo shm and 和Cou stds 等人在多种h +和s +的V 形槽肋条表面进行了试验,测量了平均
流速的展向分布。图13为h +=10.9,s +=21.7的肋条表面流向平均流速的展向分布。图中表明,肋条使纵向平均流速在展向出现速度梯度,最低速度发生在肋条顶部,影响范围为h +<13。也有试验资料发现最低流速发生在肋槽中,影响范围限于y +<15。综合认为,较密间距的V 形槽肋条表面,最低流速发生在肋槽中,而且肋槽中的湍动强度也减小,其原因是展向速度梯度的存在,产生的粘性效应降低了湍动强度。而在较宽间距的肋条表面,最低流速出现在肋条顶端,展向速度梯度的粘性效应可忽略,表面摩阻增加。
肋条对湍流强度的影响,与肋条的形状和尺寸有关,当肋条制造成最优减阻尺寸时,肋条可减小流向湍流强度和雷诺应力,当肋条的h +和s +较大时,雷诺应力不减小,垂向脉动速度v ′和展向脉动速度w ′变化不大
。
图13 图14
(4) 肋条对关联系数的影响
图14为Callogher 和T hom as 在y +=15处实测的展向空间关联(R )的分布图。图中
△Z +=△Z u ΣΧ为展向无量纲坐标,图中曲线表明,肋条表面的关联长度或结构展向尺寸,比光滑表面的增加15～30%。
图15为F i m icum 和H an ratty 在h s =1.0对称V 形肋条表面上测得的展向边壁速度梯度的关联系数分布。图中实线为抛物线,它与展向系数R 33=0的虚线相交点,确定展向长度尺度。当Z +=25～30时,随着Z +减小,R 33增加,因而Z +=25～30可近似认为是阻力减小开始发生时的肋条间距。
(5) 肋条减阻的物理过程
肋条减阻与近壁区湍流结构的变化紧密相关。近壁区湍流结构的特征,可概括为三个主要方面,一是湍流底层条带结构的形成和发展;二是纵向涡、横向涡和马蹄涡的形成和发展;三是猝发现象,这三者的相互影响,形成近壁区的复杂湍流结构。显然低速条带愈不稳定,猝发频率愈高,湍能耗损愈大,摩阻损失愈大。肋条减阻的设想,就是利用肋条控制条带结构的扩散,减少猝发现象的发生。在微小尺寸V 形肋条或肋膜作用下,肋槽为反向涡支腿形成的低速条带
7
03梁在潮等:肋条减阻
造成通道,抑制条带的扩散;另方面展向平均流速分布不均匀形成的速度梯度,通过粘滞性而形成横向粘滞力,此粘滞力产生于肋条顶部,可抑制反向涡的作用,减少高流速流体向边壁输运,从而使表面摩阻减小。但肋条尺寸较大时,情况则相反,低速条带出现在肋条顶部,肋槽中产生反向纵向涡,反而使表面阻力增加。因此,肋条湍流减阻与肋条的形状和尺寸有紧密的关系
。
图15 图16
4 肋条与其它减阻技术联合减阻
(1) 肋条与聚合物联合
B evdy 等人研究了聚合物与肋条联合减阻特性,图16为试验结果。1986年的资料表明,两种减阻技术的联合,增加了减阻,但1987年的资料却又发现减阻效果无太大变化。两组试验所用的聚合物除了分子重量不同外,其它都相同。后来B evdy 和A nderson 进行了不同浓度,不同聚合物与h +=0.0076c m 的肋膜减阻试验,得到的结果与图16中1997年的资料趋势一致。这说明联合减阻的效果,与所用的聚合物种类,浓度和分子重量有很大的关系,同时也说明,肋条与聚合物联合减阻技术,尚须进一步深入研究。
(2) 肋条与微气泡联合
许多事实已证明,当水中运行物的表面形成微气泡层时,能大大减小表面的摩阻力。但要使实际物体表面形成微气泡层却很难做到,如船舶运行,即使在其表面形成气泡层的技术可以实现,但需要的气泵及其所需的能量也是大得惊人,实际无法实现。因此需要研究微气泡与其它减阻技术的联合。B eed 和W ein stein 研究了肋条和微气泡的联合减阻,他们认为沿肋顶端的横向表面张力可在近壁区产生“稳定气泡层”,从而使阻力减小;形成气泡层所需要的空气量也大为减少;他们的试验表明,当表面摩阻减小50%时,所需的空气量仍然少于光滑表面所需要的量。他们还研究了高接触角(聚四氟乙烯)的表面活化剂、深窄槽和切向空气射入,对边壁空气层稳定性的关系,他们发现,这些措施都会增加边壁空气层的稳定性和减少空气的用量。
(3) 肋条和吸气或吹气联合
God _el _H ak 和B lack w elder 进行过肋条和吸气或吹气联合减阻试验,他们建议用肋条固定低速条带,在肋顶部间歇地吸气,以减弱边壁涡的强度,甚至消除边壁涡。他们的试验表
803水 动 力 学 研 究 与 进 展 1999年第3期
明,用小量的吸气,对消除由于加肋而产生的猝发现象很有效。W ilk in son 研究过薄矩形肋的顶部吸气、肋槽中吹气的减阻效应。图17为W ilk in son 的吸气和吹气改变近壁涡的概念图。图中表明,在基面或肋顶部吸气,或在肋槽中吹气,都能抑制边壁涡的诱导速度,从而使涡强减弱;在肋条顶部或基面上吹气,或在肋槽中吸气,能增强边壁涡的涡强。边壁涡强的减小或增加,与表面摩阻的减小和增加有强烈的关系,因此,吸气和吹气对减阻有一定的作用
。
图17 图18
(4) 新型肋条
Cobert 建议用图18所示的肋形增加减阻效果,该肋形类似于有一横片的薄矩形肋,他设想加横片增加附面层的厚度,减小近壁流速切变率,使纵向槽道中保持低表面摩阻力的层流。图19为对上图肋形的减阻计算特性曲线。图中将阻力比值D D s 作为相对窄缝宽(s b )和槽道雷诺数R e 的函数。如图中所示,s 为槽道宽,b 窄缝宽;D 和D s 分别为肋面和光滑面的阻力;R e 为槽道中保持层流的最大雷诺数,其表达式为
R e =bu c 式中u c 为槽道中心速度。图中s b =1.0,相当于薄矩形肋。L azo s 和W ilk in son 对薄矩形肋表面减阻进行了研究,得到的阻力减小低于8%,此结果相当于R e =400的阻力减小。因此,Rooert 所计算的其它较高的阻力减小,有重新研究的必要。 另一个肋条形状的新概念,是
Robert 等人引进的
“条带消除剖面”,图20为该剖面的简图。由图中剖面看出,其形状与鲨鱼鳞相似。他们的设想是:近壁区存在反向呈对涡,这些反向涡使边壁表面产生瞬时低压区和瞬时高压区,利用肋条剖面的空腔吸收高压区的流体,并由切向将流体喷刮肋条表面,以影响低压区,从而减小涡强。5 应用肋条减阻的几点建议
肋条湍流减阻是一种很有发展前途的节能技术,也是湍流理论用于工程的最好实例,但由于湍流的复杂性,目前尚无强有力的理论能阐述肋条减阻肋机理,特别是还没有建立在坚实理论基础上的预测减阻效应的计算方法。尽管如此,由于工程的需要,近二十多年来国内外都进行过大量的试验研究,得到了许多可作为实际应用参考的成果。从应用的角度,提出了以下几点建议。
9
03梁在潮等:肋条减阻
图19 图20
(1) 实际应用的优化肋条几何形状,建议用V 形肋条。其减阻范围与肋条高横比h s 有关,常用的高横比为h s =1.0,若h s <1,其零减阻线与阻力分布线的交叉点可扩宽,即可用于减阻的范围增加,实际应用更方便。最优的h +和s +的肋条,其最大的减阻值约为6±2?,也就是说最大减阻值限于8?以内。
(2) 肋条引起边界层湍流结构的变化,只限于近壁区y +=10～15;试验表明,能产生减阻效应的肋条(或肋膜),其尺寸应小于低速条带的尺寸。由湍流拟序结构理论得知,低速条带的厚度h +=10～25;长度l +=1000～2000;分布间距Κλ+=100～125。图4、5、7、8、9和10
所给出的零减阻(D D s =1)线与阻力分布的交叉点所包含的s +值,可作为设计减阻肋条尺
寸的参考值。
(3) 肋条与其它减阻技术的联合作用和新型的肋条,特别是类似鲨鱼鳞型的肋条,很有值得研究的价值,从其减阻机理来看,有可能突破至今最大减阻值为8%的限值。
参 考 文 献
1D echert D W ,Hoppe G and R eif W E .O n the D rag R educti on of the Shark Sk in ,A I AA paper 8520546,M arch 1985.
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7梁在潮,刘士和.边壁加糙对切变湍流相干结构的作用.水动力学研究与进展,1987,2(2):50256.8梁在潮,刘士和,张德辉.湍流底层条带结构的研究.水动力学研究与进展,1994,9(6):6272641.
013水 动 力 学 研 究 与 进 展 1999年第3期
作者简介
梁在潮,男,生于1930年8月,教授,博导.
T he T u rbu len t D rag R educti on w ith R ib lets
L iang Z a i 2chao L iang L i
(W uhan U n iversity of H ydrau lic and E lectric Engineering ,W uhai 430072)
Abstract In th is paper the turbulent drag reducti on w ith riblets is investigated .It contains th ree parts :(1)T he concep t fo r m ulati on of the turbulent drag reducti on w ith riblets .(2)T he analysis of perfo r m ance curviline fo r the riblet drag reducti on .(3)T he influence of a riblet on turbulent flow and the physical p rocess of the turbulent drag reducti on w ith riblets .
Key words tu rbu lence ,rib let drag reducti on ,techno logy of drag reducti on .1
13梁在潮等:肋条减阻
船舶专业术语
a faired set of lines 经过光顺处理的一套型线 a stereo pair of photographs 一对立体投影相片 abaft 朝向船体 abandonment cost 船舶废置成本费用 accommodation 居住（舱室） accommodation ladder 舷梯 adjust valve 调节阀 adjustable-pitch 可调螺距式 admiralty 海军部 advance coefficient 进速系数 aerostatic 空气静力学的 aft peak bulkhead 艉尖舱壁 aft peak tank 艉尖舱 aileron 副鳍 air cushion vehicle 气垫船 air diffuser 空气扩散器 air intake 进气口 aircraft carrier 航空母舰 air-driven water pump 气动水泵 airfoil 气翼，翼剖面，机面，方向舵 alignment chock 组装校准用垫楔 aluminum alloy structure 铝合金结构 American Bureau of Shipping 美国船级社 amidships 舯 amphibious 两栖的 anchor arm 锚臂 anchor chain 锚链 anchor crown 锚冠 anchor fluke 锚爪 anchor mouth 锚唇 anchor recess 锚穴 anchor shackle 锚卸扣 anchor stock 锚杆 angle bar 角钢 angle of attack 攻角 angle plate 角钢 angled deck 斜角甲板 anticipated loads encountered at sea 在波浪中遭遇到的预期载荷anti-pitching fins 减纵摇鳍 antiroll fins 减摇鳍 anti-rolling tank 减摇水舱 appendage 附体 artisan 技工 assembly line 装配流水线
减摇鳍原理
在静水中航行的船舶浮心O 垂直地位于重心G 之下，浮力F 和重力mg （相当于船舶排水量D ）大小相等、方向相反。没有力矩作用于船上，船舶处于正浮状态。当船舶在波浪海面上航行时，由于波浪运动，波浪表面与水平面间出现夹角γ—波倾角。波面倾斜后使浮于波浪上的船舶的浮心从O 点移动到O ˊ点，故此绕船舶重心G 有一力矩M B =F ·a 作用在船上。此力矩称为波浪扰动力矩。正是这一力矩使船舶产生绕其自身重心的纵轴的横向摇摆运动。 如果视波浪为正弦波，如图2所示。则用波长“λ”，波高“ξω”和周期（波浪从A 点传播到C 点所需时间）“T ”表征波浪。显然，波长“λ”相同，波高越高（海情高，波浪强）波倾角γ也越大。和波高一样波倾角γ也能表征波浪的强弱。从图2可见波浪上各点的波倾角值也不同。A 、B 、C 三点最大，其值为γmax ；D 、E 两点最小，其值为零。在波浪运动的过程中波倾角做周期性变化。 从零到γmax 到零到γmax 。因波浪的波长“λ ”远较船宽大，故a ≈h ·γ，船在波面上运动，在波面的不同点所受波倾角的作用也不同。其中h —船舶初稳心高，F=D （船舶排水量），所以作用在船上的波浪扰动力矩为： 为使船舶的摇摆角尽可能减小，必须施加给船舶一个稳定力矩。该稳定力矩M CT 在数量上应尽可能与波浪扰动力矩M B 相等，在方向上与波浪扰动力矩相反（或者说在相位上相差180°角）。减摇鳍装置就是一种能给船舶产生一个稳定力矩的装置 鳍是装在船舶水线下的一块剖面形状对称的流线型板。如图3所示，当船 ??? ??πγ=t T 2Sin Dh M max B
舶以速度V 航行时，若此流线型鳍相对于速度方向偏转α角，由于偏转了的鳍的上方为低压，下方为超压，上下之压差在鳍上产生一向上的升力P ，另一舷的鳍向反 方向偏转产生一大小相等方向向下的升力P ，升力的值为： 式中：ρ—海水密度； C y —鳍的升力系数(鳍形设定后，其值仅与鳍转角α有关）； S —鳍的面积； V —船舶航速； 这样在左右两舷的作用下将有一力矩作用在船上，其情形 如图4所示。 2 21SV C P y ρ=
阻力的产生及减阻措施
阻力的产生及减阻措施 飞机的各个部件，如机翼、机身和尾翼等，单独放在气流中产生的阻力的总和并不等于把它们组合成一架飞机时所产生的阻力，而后者往往大于前者。所谓“干扰阻力”指的就是飞机的阻力和单独各个部件阻力代数和的差值，是由于各个部件组合在一起时，流动相互干扰产生的额外阻力增量。换句话讲，飞机的零升阻力等于机翼的零升阻力、机身的零升阻力、尾翼（含平尾和立尾）的零升阻力和飞机干扰阻力之和。飞机干扰阻力又包括机翼机身之间的干扰阻力、尾翼机身之间的干扰阻力以及机翼尾翼之间的干扰阻力等。 当把机翼和机身组合在一起时，机身的侧面和机翼翼面之间形成一个横截面积先收缩后扩张的通道，低速气流流过扩张通道时，因逆压梯度的作用将使附面层产生严惩的分离，出现额外增加的粘性压差阻力。为了消除这一不利的干扰，一般都采用整流片来仔细修改机翼机身连接部分的外形，“填平补齐”，消除分离。上图的飞机采用了大整流片的目的也在于此。 由于机翼下表面压力大，上表面压力小，因此下表面压力大的气流就会向上表面流动，从而在翼尖处形成了一个旋涡，这个旋涡是由于升力诱导而产生的，因此称为诱导阻力。 飞机的零升阻力是纯粹的付出，不像下面要介绍的飞机的诱导阻力那样，是产生有用升力所必须付出的代价；自然，无论是飞机的零升阻力或是诱导阻力，都应该千方百计地减少它们。要减少低、亚声速飞行时飞机的零升阻力，主要有下列办法。 第一，采用层流翼型替代古典翼型来减小机翼的摩擦阻力。 第二，对飞机的其他部件都应当整流，做成流线外形。 第三，是减小干扰阻力。必须妥善地考虑和安排各个部件的相对位置，在这些部件之间必要时不定期应加装整流片。 超音速飞机在飞行时会产生激波阻力，减小激波阻力的主要措施是采用合适的气动外形。
方形管道内壁面微结构对湍流减阻效果的影响
2017年第36卷第11期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·3971· 化 工 进 展 方形管道内壁面微结构对湍流减阻效果的影响 李恩田1， 2，吉庆丰1，庞明军3 （1扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州 225127；2常州大学石油工程学院，江苏 常州213016； 3常州大学机械工程学院，江苏 常州 213016） 摘要：利用循环管路系统，对方形管道内壁面微结构对湍流减阻效果的影响进行了试验研究，研究了循环管路系统不同壁面微结构下流动的范宁系数和减阻率。试验采用的肋条结构尺寸为：肋条宽度均为 1.0mm ，肋高分别是h =0.3mm 、0.5mm 、0.7mm 。试验介质为普通自来水，水温控制在25℃±0.5℃，水平管道内流体流速范围为0.03～1.80m/s 。试验研究结果表明：在量纲为1的肋深h +处于4～15范围内，肋条壁面的范宁系数小于光滑壁面的范宁系数，肋条壁面具有减阻效果；肋高h =0.5mm 肋条的减阻效果最好，最大减阻率为11.91%；粒子成像测速仪研究了不同壁面微结构下流体流动的平均速度、雷诺切应力和近壁区的涡量。实验结果表明：肋条的存在使得湍流边界层增厚，雷诺切应力减小，近壁区的涡量降低，从而达到减阻的效果。 关键词：壁面微结构；范宁系数；减阻率；雷诺应力；涡量 中图分类号：O357.5 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2017）11–3971–06 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0436 Influence of wall microstructure on turbulent drag reduction in square pipe LI Entian 1， 2，JI Qingfeng 1，P ANG Mingjun 3 （1School of Hydraulic Energy and Power Engineering ，Yangzhou University ，Yangzhou 225127，Jiangsu ，China ；2School of Petroleum Engineering ，Changzhou University ，Changzhou 213016，Jiangsu ，China ；3School of Mechanical Engineering ，Changzhou University ，Changzhou 213164，Jiangsu ，China ） Abstract ：In the present work, the flow characteristics and drag reduction of a turbulent flow field over a riblets surface plate were investigated experimentally and compared with a smooth surface. Experimental tests were carried out in a closed rectangular duct with 1mm in width and 0.3mm ，0.5mm ，0.7mm in height riblets using particle image velocimetry. Tap water was used in this experiment and test temperature was controlled at 25℃±0.5℃，and the velocity was maintained between 0.03—1.8m/s. The study showed that a notable decrease in fanning friction factor for riblets surfaces can be seen at an h + range of 4–15 compared with flat plate. A maximum rag-reduction of nearly 11.91 percent was acquired over the riblets surface of 1 mm wide and 0.5 mm height. Riblet can thicken the boundary layer and weaken turbulent fluctuation intensity. Furthermore ，both Reynolds shear stress and vorticity and root-mean-square velocity were decreased. Key words ：wall microstructure ；fanning friction factor ；drag reduction rate ；Reynolds shear stress ；vorticity 壁面微结构减阻技术始于20世纪60年代。WALSH [1-2]研究了具有肋条或沟槽微结构的壁面的 湍流减阻性能，结果表明，顺流向的微小沟槽壁面和肋条壁面都能够有效降低摩阻。在过去的半个多 收稿日期：2017-03-16；修改稿日期：2017-04-12。 基金项目：国家自然科学基金（51376026）及江苏省高校自然科学研究重大项目（15KJA470001）。 第一作者及联系人：李恩田（1977—），男，副教授，博士研究生，主 要从事湍流减阻方面的研究。E-mail ：let@https://www.360docs.net/doc/cf8713236.html, 。 万方数据
船用气泡减阻技术发展
船用气泡减阻技术发展
船用气泡减阻技术发展 早在十九世纪30年代俄国和瑞典科学家就提出设想：在运动船舶的船体外表面和水之间，引入空气和排气形成气幕，可以大幅减少运动船舶总阻力。然而，这一设计思想在工程技术实践中却并不容易实现。因此，目前真正用于实船的仅为俄罗斯等极少数国家。 气泡船（air cavity craft）也有称作空气润滑船（air-lubricated-hull craft）或气浮船（air ride express）的，它是高性能船型中的一种。其工作原理是把空气引入船底，在船底表面形成气水混合的两相流，从降低液体粘性系数的角度来减小艇体的摩擦阻力，达到高速航运的目的。 1949年底，瑞典哥德堡船模试验池的
Edstrand提出了气膜减阻原理，但由于空气会自由地飘离船体表面，无法形成气膜，试验没有取得成功。60年代后，各国对怎样锁定气膜进行了深入研究，基本上形成了两种思路。 第一种思路是在平底船上开设一个凹进 船底的平面，四周用板材围起来，在船底凹面内通以压缩空气，使大部分气体封存在船底，当然难免还有一小部分气体随船体的移动从 船底边缘逃逸出去。这类技术主要应用在低速运输船上，如驳船、货船和大型油船。在我国黑龙江水运科学研究所研究的垫气驳就属于 这一类，并于1982年在黑龙江航运的驳船上应用成功。在正常运营航速（Vs=9km/h）下，阻力可比原船型减小30%，而消耗在压缩空气上的功率只占总功率的3%，节能效果十分显著。 第二种思路是将船底下的一层薄薄的气 膜扩展成一个增压气室，最终将演变成侧壁式气垫船，成为另一类高性能船型。80年代以来，前苏联、法国、美国、澳大利亚、荷兰等
游艇减摇鳍
游艇减摇鳍 [摘要] 游艇减摇鳍是为适应游艇特点而专门设计的减摇鳍，具有尺寸较小、重量较轻、噪声较小等特点，鳍翼通常采用的是非金属材料，且批量制造。游艇减摇鳍的选型计算、布置设计以及安装都涉及到较强的专业知识，游艇厂商在选用减摇鳍时应关注设备厂商的技术实力和服务能力，应考虑可否与之建立紧密的战略合作关系。 1. 游艇减摇鳍是什么 减摇鳍是减摇效果最为明显的船舶减摇装置之一，游艇减摇鳍是为适应游艇的安装空间较小、设备重量要求较轻、噪声要求较小等特点而专门设计，且便于批量制造的产品。游艇减摇鳍的鳍面积通常较小，所以也叫超小型减摇鳍。游艇减摇鳍每套装置都是由大小相同的两只鳍翼构成，每只鳍翼都有其相应的转鳍执行机构、最大转鳍角机械限位机构、锁紧机构等部件。每套减摇鳍装置还包括液压控制系统、液压泵站（可选，也可以选用艇上其它液压源）、控制箱、操控面板等部件。游艇减摇鳍的鳍翼通常是用非金属材料（玻璃钢）采用模具压制成型的。 减摇鳍像鱼鳍一样，位于船的两侧，是用来减轻船的横摇。人们不禁要问，为什么只减横摇呢？纵摇怎么办？通常，船艇在形状上是呈瘦长形的，横摇在剧烈程度上远大于纵摇，只要把横摇减下来也就够了。至于纵摇，如果确实需要轻减，例如小水线面双体船艇，可以使用陀螺减摇器，方便且效果明显，只要将陀螺减摇器的进动轴沿船长方向布置即可，安装位置是任意的。 减摇鳍的减摇力矩来源于鳍翼产生的升力（向上或者向下）以及鳍翼与船艇舯纵剖面之间的跨度，升力越大，或跨度越大，减摇力矩越大。鳍翼之所以能产生升力，依靠的是水对鳍翼上下翼面的压力存在差值，这就需要水相对于鳍翼是流动的，一种情况是要求船以较快速度航行，另一种情况是船的航速虽低，甚至停了下来，但鳍翼在以较高转速往复扇动。这前一种情况通常叫常规减摇（鳍），后一种情况叫零航速减摇（鳍）。零航速减摇鳍通常需要配备较强的动力系统，所以，目前主要还是用在豪华游艇上。
电气设备接地降阻措施
电气设备接地降阻措施的探讨 摘要：本文对电气设备接地安全及防雷方面存在的问题进行了分析和探讨，探讨了降低电气设备接地电阻的措施和方法。 关键词：电气设备接地装置降阻改造 abstract: in this paper, the electrical equipment grounding safety and the problems existing in the lightning protection are analyzed and discussed, and it also probes into the lower electrical equipment of grounding resistance measures and methods. key words: electrical equipment, grounding resistance, reduction device transformation 中图分类号：th183文献标识码：a 文章编号： 1、引言 随着人类社会的发展，我国提倡和谐社会，电力建设中，人身安全无疑应放在第一位，接地装置在城市供配电系统安全运行中占据着极其重要的地位。我们知道，人触电后能自动摆脱的工频电流很小，成年男性的平均摆脱电流为16ma，成年女性的平均摆脱电流为10.5ma，电气设备的安全接地就是为了防止人体触及漏电的电气设备时造成事故。而防止触电效果的好与坏很大程度上取决于工频接地电阻的大小。同时，随着人们生活水平的不断提高，对供电可靠性的要求也越来越高。广东是多雷区，造成设备跳闸的大多数原因是雷击事故，而接地装置的冲击接地电阻足够小的时候，能有效
减摇鳍原理及系统
轮机工程学院 内容摘要 摘要：本文主要介绍了“育鲲”轮减摇鳍装置液压系统的工作原理，包括液压系统的各部件的结构和工作原理；以及液压系统各工作油路的工作过程，如减摇鳍叶片收放油路，减摇鳍叶片倾斜油路和减摇鳍的伺服油路。在文章的最后也介绍了“育鲲”轮减摇鳍装置的日常管理要点。 关键词：液压系统叶片收放油路叶片倾斜油路伺服油路日常管理要点ABSTRACT: This thesis explains the working principle of the hydraulic system of the stabilizing system in “YUKUN”, which includes the construction and working principle of the components; the working process of hydraulic lines in the system, such as fin housing and extending, fin tilting and service hydraulic lines. This thesis also summarizes some services and managements of stabilizing system. KEY WORDS: hydraulic system house and extend hydraulic line fin tilt hydraulic line service line
目录 1 前言 (1) 2 减摇鳍装置的执行机构 (1) 2.1 减摇鳍装置的叶片回笼和延展执行机构 (1) 2.2 减摇鳍装置的叶片倾斜执行机构 (2) 3 减摇鳍装置液压系统工作原理 (3) 3.1 减摇鳍装置的液压系统组成 (3) 3.1.1 供油罐 (3) 3.1.2 主泵和发动机设备组 (3) 3.1.3 油路板/集油管板 (4) 3.2 减摇鳍装置叶片收放油路的工作原理 (6) 3.2.1 减摇鳍装置叶片收放油路的重要部件介绍 (6) 3.2.2 减摇鳍装置叶片收放油路的工作过程 (6) 3.3 减摇鳍装置叶片倾斜油路的工作原理 (7) 3.3.1 减摇鳍装置叶片倾斜油路的重要部件介绍 (7) 3.3.2 减摇鳍装置叶片倾斜油路的工作过程 (8) 3.4 减摇鳍装置伺服油路的工作原理 (8) 3.4.1 控制比例阀的伺服油路 (8) 3.4.2 负载感应器和插装补偿阀的伺服油路 (9) 4 减摇鳍装置液压系统的日常管理要点 (9) 4.1 常规检查项目 (9) 4.2 定期保养项目 (10) 5 结束语 (10) 6 参考文献 (10)
减阻措施
旋风除尘器的几种减阻措施 前言： 旋风除尘器是一种利用含尘气体旋转所产生的离心力将粉尘从气流中分离出来的干式气分离装置。因其具有结构简单、造价低、内部没有活动件、维修方便以及耐高温、高压等特点, 广泛应用于化工、采矿、冶金、机械、轻工、环保等领域。衡量旋风除尘器工作性能的重要指标是压力损失和除尘效率。目前, 已研制出许多低阻旋风除尘器。 1、旋风除尘器的结构及工作原理 当含尘气流由进气管进入旋风除尘器时, 气流将由直线运动变为圆周运动。旋转气流的绝大部分沿器壁自圆筒体呈螺旋形向下, 朝锥体流动。通常称此为外旋气流。含尘气体在旋转过程中产生离心力, 将重度大于气体的尘粒甩向器壁。尘粒一旦与器壁接触, 便失去 惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面下落, 进入排灰管。旋转下降的外旋气流在到达锥体时, 因圆锥形的收缩而向除尘器中心靠拢。根据旋转矩不变原理, 其切向速度不断提高。当气流到达锥体下端某一位置时, 即以同样的旋转方向从旋风除尘器中部, 由下反转而上, 继续作螺旋形流动, 即内旋气流。最后净化气经排气管排出旋风除尘器外。一部分未被捕集的尘粒也由此逃失。 3、影响旋风除尘器压力损失的因素 ( 1) 在旋风除尘器中, 由于内旋气流进入排气管时仍处于旋转状态, 因而具有较高的能量。弗斯特在一次实验中发现, 离开除尘器出口至少相当于连接管直径27倍的地方还存在着旋转。所以, 采取各种措施消旋减阻, 回收排气管中的能量是很有意义的。 ( 2) 通过旋风除尘器内部气流流动研究认为: 旋风除尘器气流速度分布在径向上, 呈不对称或出现偏心, 尤其在锥体下部靠近排尘口附近, 有明显的“偏心”; 排气管下口附近, 径向气流速度较大, 有“短路”现象。气流偏心或短路不利于粉尘分离。 ( 3) 旋风除尘器内气流运动非常复杂, 有旋流场及若干干扰涡流场, 这些涡流场在不同程度上影响除尘效率和阻力损失, 尤其是短路流构成上部气流回转, 使一部分流体在旋风筒中转一周后斜向吹到刚从入口进来的气体上, 导致入口进气偏向筒壁而产生所谓的压缩现象。压缩现象使壁面处流速增大, 壁面摩擦力增大, 同时使气流在旋风筒上部的回转圈数增多, 必然导致压力损失增大。因此, 可以通过抑制压缩现象来降低压力损失。 (4) 旋风除尘器旋涡流场的能量损失主要由外旋涡流能量损失和内旋涡流能量损失组成。其中外旋涡流对颗粒的捕集起决定性作用, 属于有效能量;而内旋涡流对捕集分离不起作用, 属于消耗性能量。内涡旋造成的能量损失, 除了内涡旋轴上气流速度梯度不同造成的内摩擦损失以及排气口连接管段内气流旋转造成的摩擦损失外, 主要是由于内涡旋造成的向外的径向速度与外涡旋造成的向内的径向速度相互干扰, 造成了内、外涡旋场的掺混、碰撞和摩擦损失。 4、旋风除尘器的减阻措施 4. 1 排气管减阻装置现有的排气管减阻装置可分为2 类: ( 1) 改变排气管形状回收能量。如采用锥形排气管, 但该方法效果不显著。 ( 2) 不改变排气管形状, 而在排气管内部或后部附加减阻装置回收能量。此类有以下几种方法: ①在排气管内装整流叶片, 其中以D-3 型效果最好,可使阻力减少22.8% , 而除尘效率仅降低0.5%～0.8% ; ②在排气管出口装设渐开线蜗壳, 此法可使阻力降低5%～10%, 且对除尘效率影响较小; ③在排气管出口加设圆锥形扩散器( 当净化气体直接排入大气时) , 若取合适的扩散角, 可获得10%～33%的压力回收; ④在排气管弯头后水 平安装双锥圆筒减阻器, 若双锥圆筒采用优化尺寸, 可使阻力减少7%～25%, 而除尘效率仅下降0.3%。
脊状表面减阻特性的风洞试验研究
第23卷 第5期2008年10月 实 验 力 学 J OU RNAL OF EXPERIM EN TAL M ECHANICS Vol.23 No.5 Oct.2008 文章编号:100124888(2008)0520469206 脊状表面减阻特性的风洞试验研究 刘占一,宋保维3,胡海豹,黄桥高,黄明明 (西北工业大学航海学院,西安710072) 摘要:利用热线风速仪,对光滑表面和多个脊状表面在低速风洞中进行了表面流场测试。基于测得的边界层速度分布数据,利用对数律区速度分布公式,编程分别计算出光滑表面和脊状表面的壁面摩擦速度和虚拟原点。研究发现,脊状表面最大减阻量达13.5%;有减阻效果的脊状表面使边界层速度曲线上移、湍流强度下降;与光滑表面相比,脊状表面的位移厚度和动量损失厚度明显减小,也表明脊状表面具有减阻效果;位移厚度和动量损失厚度减少量随槽间距s+的增加呈现先变大后变小的趋势,在s+=12时达到最大。 关键词:脊状表面;热线风速仪;摩擦速度;减阻量 中图分类号:O357 文献标识码:A 0 引言 目前的各种湍流减阻方法中,脊状表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点,被公认最具使用潜力。该技术起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究,通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的脊状结构,来达到很好的减阻效果。该项技术在国外已投入了实际应用,如空中客车将A320试验机表面的约70%贴上脊状表面薄膜,获得了节油1%～2%的效果;NASA兰利中心在Learjet型飞机上开展的类似飞行试验显示,脊状表面的减阻量约为6%左右。 脊状表面减阻的物理机制在于:脊状表面与顺流向的“反向旋转涡对”作用,产生“二次涡”。“二次涡”的产生和发展削弱了“反向旋转涡对”的强度,进而抑制了湍流猝发的形成。脊状表面流场理论研究发现,脊状表面的粘性底层厚度比平板的要厚得多,表明在脊状表面近壁区存在着低速流层,使得边界层外层高速流不直接与壁面接触,而从低速流层上流过,降低了壁面法线方向的速度梯度,从而产生了减阻效果[1,2]。 近些年,为了从微观流动结构方面研究脊状结构的减阻原理,PIV、LDV和热线风速仪等设备越来越多的被应用在减阻研究中。与以前使用测力天平等设备直接测量阻力不同,这些设备测得的是脊状结构表面流场的特性参数,需要计算出壁面摩擦速度,才能间接给出定量的减阻效果。Ant hony Ken2 dall等在文献[3]中提出用Musker和Spalding公式求摩擦速度;D.Hoo shmand等在文献[6]中提到用Clauser方法求摩擦速度。这些方法都要求准确测得包括粘性底层在内的边界层内层速度分布,但是对数律公式仅需要边界层对数律区的速度分布即可。由于准确测量粘性底层比较困难,因此笔者考虑利用对数律区速度分布公式,通过拟合求摩擦速度。 本文利用热线风速仪测量了五种不同尺寸的脊状结构表面流场,不仅从速度分布、湍流度分布方面3收稿日期:2008203218;修订日期:2008210206 基金项目:国家自然科学基金面上项目(10672136);国家自然科学基金重点项目(50835009)资助 通讯作者:宋保维(1963-),男,教授,目前主要研究方向:水下航行器设计、制造,流体力学,系统工程理论及其应用,计算机辅助设计与制造,机电一体化与机器人技术等。E2mail:songbaowei@https://www.360docs.net/doc/cf8713236.html,
高分子减阻剂减阻效果试验研究
高分子减阻剂减阻效果试验研究 指导老师：毛根海 实验成员：薛文洪一红 班级: 土木工程0101结构班 实验日期:2003年12月7日
高分子减阻剂减阻效果试验研究 流体流动存在阻力，产生流体能量损失。在管流中有管道阻力，如长距离输水、石油、天然气等，都必须在流经一定距离之后设置升压泵，以补充损失的能量。同样，在明渠输水、水面必须有水利坡降才能产生顺坡降方向的流动，在同坡降的情况，流动阻力越大，则流速越慢，过流能力越差。 若在水体中添加减阻剂，就能大大减少沿程阻力。这是减小水流沿程阻力的另一种新途径。减阻剂种类很多，不同减阻剂及添加量不同，其减阻效果也不一样。 由于客观条件的限制，我们此次通过“同一减阻剂在不同浓度下减阻效果”的比较，对减阻剂加入水体后的减阻效果进行定性、定量的了解。 本次实验采用的减阻剂是聚丙烯酰胺(又称PAM)，初配浓度为0.1%，室温（10o C左右）。采用沿程阻力试验装置进行测定（实验装置如图）。实验地点，土木系水利实验室。
聚丙烯酰胺，别名PAM ，是一种有机高分子聚合物，为玻璃状固体，溶于水，也溶于醋酸、乙二酸、甘油和胺 等有机溶剂。聚丙烯酰胺是重要的水溶性聚合物，而且兼具增稠性、絮凝性、耐剪切性、降阻性、分散性等宝贵性能。 一、试验数据及结果分析如下： 清水实验时:
加入 100ml 3
加入 700ml 0.1%PAM 溶液入水 箱: 各项常数：d=0.675cm L=85cm K=1.993 从如上的数据可以看出，PAM要起到减阻效果是有一定浓度限制的。浓度太小，减阻效果 不明显；浓度太大，反而会增阻。通过粘度计的测定，清水与各浓度溶液的粘度相差很小，（清 水时平均粘度为0.012，加入375ml溶液时平均粘度为0.013）。通过几组实验数据的对比可 得，相同沿程损失的情况下，PAM减阻效果最大的浓度出现在向水箱中加入375ml 0.1%溶液 左右，过流量增大，阻力粘制系数呈下降趋势。（加入400ml该溶液时，过流量已开始减小）。 通过各表的Re与λ关系比较可知，加入PAM后，相同Re下，λ有明显减小（曲线图待 补充），说明PAM起到了一定的减阻效果。同时该减阻剂在层流区几乎不起作用，在紊流区能 够起到一定的作用。但是需要指出的是，通过本次定量实验可以看出，PAM并不是一种十分有 效的减阻剂，虽然阻力粘制系数随PAM加入量的增加一直呈下降趋势，但是过流量的增加并 不显著。
顶管施工质量的技术保证措施
穿墙止水 为避免地下水和泥土大量涌进工作井，在穿墙管内事先填埋经夯实的黄粘土，打开穿墙管闷扳，应立即将工具管顶进。此时穿墙管内的黄粘土受挤压，堵住穿墙管与工具管的环缝，起临时止水作用。当工具管尾部接近穿墙管而泥浆环尚未进洞时，停止顶进，绕盘根，表轧兰，再借助管道顶进的顶力，带动轧兰将盘根压入穿墙管环缝。盘根压得不宜过紧，以不漏浆为宜留下一定的压缩量，以便盘根磨损后再次压紧止水。 顶进阶段的测量和纠偏 （1）测量与放线：根据建设单位提供的控制点施测污水管线的中心线和高程桩。根据中线控制桩用全站仪将顶管中线桩分别测设在顶管工作坑的前后，使前后两桩互相通视，并与管线在同一条线上。顶管工作坑内的水准点由坑上一次引测，经过校核，误差不得大于±5mm。每座顶管坑内设2个水准点。 ⑵顶管测量与纠偏： 在顶第一节管时，以及在校正偏差过程中，测量间距不应超过30cm，以保证管道入土的位置正确；管道进入土层后的正常顶进，测量间隔不宜超过300cm。 中心测量：拟采用垂球拉线的方法进行测量，要求两垂球的间距尽可能的拉大，用水平尺测量头一节管前端的中心偏差，并且每顶进12m用全站仪检测一次。
高程测量：用水准仪及特制高程尺，根据工作坑内设置的水准点，测头一节管前端与后端的管内底高程，以掌握头一节管的走向，测量后应与工作坑内另一个水准点闭合。 每工作班要求做好顶管记录和交接班记录，全段顶完后，应在每个管节接口处测量其中心位置与高程，有错口时应测出其错口的高差。 顶管误差校正逐步进行。形成误差后不可立即将已顶好的管子校正到位，应缓慢进行，使管子逐渐复位，切忌猛纠硬调，以防产生相反的结果。纠偏过程中应加强测量密度，每10～20cm测量一次，根据实际情况采取有针对性的纠偏方式。 常用的纠偏方法有以下三种： ①超挖纠偏法：偏差为1～2cm时，可采取此法。即在管子偏向的反侧适当超挖，而在偏向侧不超挖甚至留坎，形成阻力，使管子在顶进中向阻力小的超挖侧偏向，逐步回到设计位置。 ②顶木纠偏：偏差大于2cm时，在超挖纠偏不起作用时采用。用圆木或方木的一端顶在管子偏向的另一侧内壁上，另一端斜撑在钢板或木板的管前土壤上，支顶牢固后，在顶进过程中配合超挖纠偏法，边顶边支。利用顶进时的斜支撑分力产生的阻力，使顶管向阻力小的一侧校正。 ③千斤顶纠偏法：方法基本同顶木纠偏法，只是在顶木上用小千斤顶强行将管慢慢移位纠正。
湍流减阻的意义及工程应用
湍流减阻的意义及工程应用 摘要：伴随着世界性能源危机的逐渐加剧，节能减排已经成为大势所趋，在能源运输的过程之中，摩擦阻力是主要的耗能来源，所以研究湍流减阻意义十分的重大。为此本文将对于湍流减阻的意义及工程应用展开有关的论述。本文首先论述了推流减租的意义，之后详细的论述了其工程上面的应用。含有肋条、柔顺壁、聚合物添加剂、微气泡、仿生减阻、壁面振动等主要湍流减阻技术最近的研究成果和应用现状，并着重强调了各自的减阻机理。 关键词：能源危机湍流减阻减阻机理 引言 伴随着全球能源消耗的不断提升，科学家门已经将越来越多的警力投入到如何有效的利用与保护能源领域上面。车辆、飞机以及船舶、油气长输管道的数量快速的增加，所以设法减少这些运输工具表面的摩擦阻力，成为人们研究发展节约能源的新技术含有的突破点[1]。 1湍流减阻的意义 节约能源消耗是人类一直追求的目标，其主要的途径就是在各种运输工具设计之中，尽可能的减少表面的摩擦阻力。表面摩擦阻力在运输工具总阻力之中占据很大的比例，在这些运输工具表面的发部分区域，流动都是处于湍流的状态，所以研究推流边界层减租意义十分的重大，已经引起广泛的重视，同时已经被NASA列为21实际航空关键技术之一[2]。 有关减租问题的研究可以追溯到上世纪的30年代，不过一直到上世纪的60年代中期，研究工作主要围绕减小表面的粗糙程度，隐含的假设光滑表面的阻力最小。到了70年代，阿拉伯石油禁运由此引发的燃油价格上涨激起了持续至今的推流减租研究与应用潮流，经过多年的发展，尤其是湍流理论的发展，使得湍流减阻理论与应用都是取得了突破性的进展[3]。
2湍流减阻的工程应用 2.1肋条减阻 20世纪70年代，NASA研究中心发现具有顺流向微小肋条的表面可以有效的降低臂面的摩擦阻力，从而突破了表面越光滑阻力越小的传统思维模式，肋条减阻成为湍流减阻技术研究热点[6]。 最近几年，为了最大限度的实现减租，人们对于肋条进行了很多的实验与应用优化设计[7]。德国的Bechert和Brused等使用一种测量阻力可以精确度达到±0.3%的油管对于各种肋条表面的减阻效果进行了研究。其测试了多种形状的肋条，含有三角形、半圆以及三维肋条，实验的结果显示V形肋条减阻效果最好，可以达到10%以上的减阻幅度[8]。大量的研究工作显示肋条表面减阻的可靠性与可应用性，国外的研究已经进入到了工程实用阶段，空中客车将A320试验机表面积约70%贴上肋条薄膜，到达了节油2%左右。NASA兰利中心对于Learjet 型飞机的飞行试验结果减阻大约在6%左右。国内的李育斌在1:12的运七模型上具有湍流流动的区域顺流向粘贴肋条薄膜之后，试验表面可以减小飞机阻力8%左右[9]。 2.2壁面振动减阻 壁面振动减阻是20世纪90年代才出现的一种新的方法，米兰大学的Baron和Quadrio 利用直接的数字模拟技术研究了壁面振动减阻的总能量节约效果，其发现在壁面振动速度振 幅在大于： h QX8/ 3时，不会节约能源，而是在比较小的振幅时候能量才有节约[10]。 这个里面Qx表示流量，h表示湍流明渠流高度的一半。在振幅为 h QX4/的时候，可 以净节约多达10%的能量。因为试验都是在固定无因次周期为T+=100下进行的，所以人们认为如果应用条件适当，还能节省更多的能量[11]。 2.3仿生减阻 海洋生物长期生活在水中，经过漫长的岁月，进化出了效率很高的游动结构，表面摩擦阻力也相当的低。所以通过仿生学的研究，设计出减阻效果更好的结构，也变成了研究的热点。Bechert对于一种模拟鸟类羽毛被动流体分离控制的方法进行了风洞的测试，在迅游环境里面，对层流翼部分的活动襟翼的测试结果表明机翼上的最大升力增加了20%而未发现有负面影响。一架电动滑翔机飞行测试纪录的阻力数据也证明了这一点[12]。
现代船舶减阻方法探讨
W A TERWAY TRANSPORT 水|路|运|输憝 现代船舶减阻方法探讨 胡东 (贵港船舶检验局，广西贵港537100) 摘要：文章从船型和航速两方面分析了影响船舶阻力的因素，探讨了沟槽减阻法、 气泡减阻法、高分 合 减阻 现代船舶减阻技术方法。 关键词：现代船舶#咸阻;方法;节能 中图分类号：U661.3T1文献标识码：A D O I: 10. 13282/https://www.360docs.net/doc/cf8713236.html,ki.wccst.2018. 05. 047 文章编号：1673 - 4874(2018) )5 - 01 72 - 03 Discussion on Drag Reduction Method of Modern Ships HU Dong (Guigang Ship Inspection Bureau,G uigang,G uangxi,537100) This article analyzed the factors affecting ship resistance from the aspects of ship type and speed,and discussed the trench drag-reduction m ethod,bubble drag-reduction m eth- o d,high-m olecular polymer additive drag-reduction method and other modern ship drag-reduc- tion technology m ethods. Modern s h ip；Drag red u ctio n；M ethod；Energy saving 〇引言 影响船舶阻力的 是流体介质，是流体力学的研究范畴。在水和空气 体的影响下对船 行 阻 用的力叫做船舶阻力。船体阻力的 分是 船体 阻力;船体 水面的阻力为流水阻力；未 水面的船体阻力为空 气阻力。航行过程 船型、 船体 阻力 异，因此减少船 阻力的方 根据船体实 况来 。 1影响船舶阻力的因素 船舶在航行过程中影响其动能的主要因素是船舶阻力，影响船舶阻力的因素 船型、船速、流体介质以及航行状态。，不同的船 行过程 产 生的阻力是不同的，相同 与船 不同介质和水 行 阻力亦不相同，在__________________研究船舶阻力 综合船型和流体介质进行分析。 作者简介 '1船型对航行阻力的影I 东(1968!)，工程 根据力学研究表明，不同的船体 行过程 体阻力是 异的，船师，船 验 用途不同在设计 考虑的 异。，在研究 取用船型参工作。来表示其具体特征，体现在数据上就是排水量长度系数、方形系数、棱形系数以及 1 72西7父通科技？m m u r S^n s Science & Technology
船舶减摇鳍的稳定控制
船舶减摇鳍的稳定控制 摘要:对于船舶稳定系统，主动鳍控制是最有效的减摇方法。然而, 在随机模型波或风的影响下，准确的全船非线性动态系统是很难获得的。在这篇文章中, 用于开发船舶稳定系统的一个守卫启发式遗传算法鳍控制器(GHGAFC)包括一个启发式遗传算法鳍控制器(HGAFC) 和一个守卫鳍控制器(GFC)。在HGAFC设计中, 将梯度下降训练嵌入到传统的遗传算法(GA)中构建一个主控制器,来搜索在不确定性下可能出现的的最佳鳍控制角。为了确保系统的状态在规定的范围内, 将守卫鳍控制器(GFC)用于调整控制角。在稳定系统中,陀螺仪和加速度计将检测摇曳的条件和收集的数据发送到嵌入式单片机计算命令中。仿真将大海表面建模为一维线性自由面来验证鳍控制器的有效性。在相同条件下, 比较GHGAFC与GA-fuzzy、GA-PID 和常规监督GA控制方案的性能。 一、介绍 船舶减摇是用来对抗船舶横摇运动的，导致横摇有很多不确定性因素:如外部波、风、非线性横摇阻尼和参数变化等的影响,这是一个重要的、严格的、复杂的问题。船舶海军架构稳定的技术已经讨论了数百年。与被动形式的系统相比,主动稳定系统拥有更强大和有效的特点。这些优点使许多船只在实践中得到应用。主动稳定系统是通过泵的形式输入能量的液压活塞或电动执行机构。因此,许多研究已经开发各种方法,例如：减摇水舱[1 - 3],陀螺稳定器[4],舵稳定器[5、6]或减摇鳍装置[7 –11],等。减摇水舱取决于周围的泵送液体来抵消船的运动。减摇水舱的主要缺点是,泵操作大量的流体传送到水槽时有一个时间滞后。这限制了即时减摇的稳定。另一方面,陀螺稳定器需要大型陀螺仪来减少减摇运动。更严重的是需要大质量横向移动来实现恢复力矩。此外,陀螺稳定器需要相当大的力而且响应时间缓慢;另外,它在船内的重要部位占据了一个相当大的体积。而在舵减摇装置中是通过舵偏转减少轧辊，因此舵辊稳定器的性能在较低速时大大降低。在减摇鳍装置中,鳍在船体水线以下,并根据船的跟角改变它们的攻角。嵌入式控制器是用来计算攻角的，电动液压机制是激活减摇鳍的。在这些方法中,主动式鳍装置似乎是最有效和最广泛采用的。 有些防倾主动鳍控制器的论文, 主要是利用传统的比例—积分-微分(PID)控制技术。然而,由于船内高度非线性和不确定性的辊运动特征,PID控制器很难适当的评估所要控制跟踪期望的轨迹。2008年,佩雷斯和古德温[8]提出了模型预测控制方法来防止非线性影响;然而,这很难预测严重时波或风的影响。一旦系统动力学在滑模控制(SMC)下，滑模控制技术是一种有效的非线性鲁棒控制方法，因为它提供了系统动力学与不变性的不确定性[12]。然而,控制系统不敏感的不确定性只存在于滑动模式,但不是在实现阶段。因此,系统动态在到达阶段仍受到不确定性的影响。从实用的角度来看,这些方法可能在显著变化的操作点反应不是很好。另一方面,神经网络、模糊方法,如神经PID,模糊, 递归模糊神经网络,强健的小波神经网络滑模控制, 自调谐模糊滑模控制方案[13]等提出了电流体静力学执行机构、电伺服驱动系统或动态系统。然而,一些补偿组件是必要的,因此,结构复杂。遗传算法(GA)是一种最新的技术用来搜索最优解决方案。1962年Goldberg在荷兰首次发布遗传算法的基本原理和常见形式 [14]。基本上,遗传算法是一种基于自然选择和自然遗传机制的随机搜索技术。在过去的几年里,遗传算法提供了一种优化参数的PID或SMC[15]。另一方面,遗传算法也被广泛应用于优化设计的FC[16]或神经模糊控制器(NFC)。GA可以在一定程度上通过模仿自然基因的机制来消除复杂的力学设计步骤。例如实际应用者吴邦国,将GA用于一群智能水下机器人，为了重新审视一个区域根据已知的先验路径点和障碍寻找经济和安全路线[17]。防止人口聚集, 提出了一种基于线性矩阵不等式的GA控制系统的次优解决方案。[18]上述研究的
水力压裂摩阻类型及降阻措施
1?压裂摩阻产生机理 水力压裂施工过程中，压裂液从泵出口经地面管线、井筒管柱和射孔孔眼进入裂缝，在每个流动通道内都会因为摩阻而产生压力损失。如果压裂施工过程中产生的摩阻过大将会导致井口压力过高，甚至超过压裂泵车的负荷，从而增大了压裂施工风险。准确计算压裂液在流动过程中产生的各种压力损失并分析其影响因素，对于确定井底施工压力以及指导优化压裂工艺参数以降低压裂施工摩阻具有重要意义。 20世纪80年代以来，水力压裂施工产生的摩阻问题逐渐引起工程师和学者的重视。基于对压裂液施工排量、裂缝起裂及扩展、射孔工艺等多方面的探索，对整套压裂施工中的压力损耗问题进行了深入研究[1]。前期研究表明，由于地面管线比较短，一般忽略由地面管线产生的摩阻。因此，水力压裂施工的摩阻损耗主要由两部分组成：第一部分是液体在压裂管柱（油管、套管或油套环空）中的沿程摩阻，即存在于管柱壁面的阻滞作用产生的摩擦阻力所造成的水头损失。一般情况下，压裂排量越大、管柱直径越小、压裂液黏度越大、支撑剂浓度越大，其产生的管柱沿程摩阻越大。第二部分是近井摩阻，其包括流体通过射孔孔眼的局部摩阻以及近井地带的弯曲摩阻，矿场一般采用降排量法对以上2种近井摩阻进行测试。近井摩阻产生的机理较为复杂，主要归纳如下[2]： 1）孔眼局部摩阻：射孔数不足、孔眼的清洁度差以及孔眼堵塞均会产生孔眼局部摩阻。由于通常采用电缆配套射孔枪对套管进行射孔，导致射孔弹在套管—水泥环内部形成及不规则的圆孔。从径向来看，孔眼内存在的凹凸不平的通道，会对流体的流入过程造成一定的影响，将会在孔眼处产生明显的压力降[3]。 2）裂缝弯曲摩阻：射孔相位不当、固井质量差以及多裂缝竞争延伸均会导致裂缝在延伸过程中并不总沿着一个方向前进，而是会发生弯曲和转向的现象[4]，从而产生裂缝弯曲摩阻。这种情况将引起净压力增大，限制近井筒裂缝宽度，从而增大支撑剂的运移难度。裂缝弯曲摩阻一般在压裂施工初期最大，随着施工进行逐渐减小[2]。 2?降低压裂摩阻的工艺措施 2.1?支撑剂段塞工艺 该工艺是目前降低近井摩阻最为常用的方法。其原理是在主压裂的前置液阶段，以脉冲加砂的形式，间断地泵入低砂比携砂液进入地层中，高速的含砂压裂液能够产生很强的水力切割作用，对不完善的射孔孔眼和近井带迂曲且粗糙的水力裂缝进行磨蚀，使压裂液流动路径逐渐趋于完善、光滑，从而达到降低近井摩阻的效果。 一般情况下，孔眼越不完善、近井裂缝迂曲程度越高、表面粗糙度越大，支撑剂段塞的实施效果越好。世界范围内众多水力压裂现场压裂实践经验表明，支撑剂段塞技术配合其他技术可以大幅提高水力压裂成功率[5]。因此，有必要根据测试压裂分析的近井裂缝摩阻数据，科学合理地进行段塞冲刷设计，并实时分析评价段塞冲刷的效果，合理调整携砂液阶段的砂浓度和砂量，并最大限度地提高施工砂浓度，以确保压裂施工达到预期效果。 支撑剂段塞还可以用于封堵微小裂隙，主要用于对天然裂缝进行封堵，从而降低滤失，保证主裂缝的充分延伸[6]。此外，支撑剂段塞还可以增大裂缝延伸的净压力，从而增大水力裂缝的应力干扰强度，促进复杂裂缝网络的形成。因此为了支撑剂段塞的使用达到各自所需的目的，需要对其相关参数进行优化设计，确定合理的支撑剂性能、目数、段塞数量以及泵注时机等。 2.2?增大缝内压裂液黏度 增加压裂液的黏度，可以在裂缝条数较多时有效减少裂缝条数，增加主裂缝的宽度，从而进一步起到减小 水力压裂摩阻类型及降阻措施 刘炜1?刘觐瑄2?华继军1?王小军1?肖佳林1 1. 中国石化江汉油田分公司石油工程技术研究院 湖北 武汉 430000 2. 西南石油大学国家重点实验室 四川 成都 610500 摘要：水力压裂摩阻引起施工压力增加，施工风险增大。水力压裂摩阻包括沿程摩阻和近井摩阻。近井摩阻产生机理最为复杂，其中射孔数不足、孔眼清洁度差以及孔眼堵塞产生孔眼摩阻；射孔相位不当、固井质量差以及多裂缝竞争延伸产生裂缝弯曲摩阻。降低压裂摩阻的工艺措施主要包括定向射孔、支撑剂段塞磨蚀、增大压裂液黏度、压裂液延迟交联等。 关键词：水力压裂?摩阻?降阻?施工压力 Friction?Types?of?Hydraulic?Fracturing?and?Measures?for?Reducing?Friction Liu?Wei1，Liu?Jianbao2，Hua?Jijun1，Wang?Xiaojun1，Xiao?Jialin1 1. Research Institute of Petroleum Engineering Technology，Jianghan Oilfield Branch，Sinopec 430000，Wuhan，Hubei Province Abstract：Hydraulic?fracturing?friction?increases?the?fracturing?work?pressure?and?increases?the?risk?of?construction.?Hydraulic?fracturing?friction?includes?friction?along?the?path?and?friction?near?wellbore.?The?mechanism?of?near-well?friction?is?the?most?complex，in?which?perforation?number?is?insufficient，hole?cleanliness?is?poor?and?hole?plugging?produces?hole?friction；perforation?phase?is?improper，cementing?quality?is?poor，and?multi-fracture?competitive?extension?produces?fracture?bending?friction.?The?technological?measures?to?reduce?fracturing?friction?include?directional?perforation，slug?abrasion?of?proppant，increasing?viscosity?of?fracturing?fluid?and?delayed?crosslinking?of?fracturing?fluid. Keywords：Hydraulic?fracturing；Frictional?resistance；Resistance?reduction；fracturing?work?pressure 下转第149页）