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]。

Beche还在油管测试里面仿鲨鱼皮的湍流摩擦阻力，在实验里面，其仔细的制造了800个独立可动的鳞片，每个都用可调整的弹簧固定。

这样就可以保证每一个人造鳞片都能自由运动，自由的与边界层的近壁流场相互作用[13]。

2.4联合减阻
现在很多的学者进行了多种减阻方案的联合使用，取得了很多的应用成果。

诺丁汉姆大学的Choi进行了一些列的使用肋条面与聚合物涂层的湍流减阻试验。

采用美洲冠军赛艇澳洲2号进行了模型的试验，使用不同的拖拽速度进行了测试[15]。

试验的结果显示这样的复合装置与单纯的沟槽或聚合物涂层相比，降阻效果有了全面的增强，减阻达整个流动阻力的35%。

位汽包层可以大大的减小水中运行物体表面摩擦阻力，Beed和Weinstein研究了肋条与微汽包联合减阻机制，其认为沿着肋顶端的横向表面张力可以在近壁区域产生“稳定气泡层”，从而使得阻力减小。

形成的气泡层所需要的空气里也大大的减少了，他们的实验表明，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[14]。

GodelHak和Blackwelder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。

他们的实验表明，用小量的吸气，对消除由于加肋而产生的猝发现象很有效。

Wilkinson研究过薄矩形肋的顶部吸气、肋槽中吹气的减阻效应。

结果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;在肋顶部或基面上吹气，或在肋槽中吸气，能增强边壁涡的涡强[16]。

结论
经过了多年的努力，尤其是湍流理论的发展，使得湍流减阻理论与应用都取得了突破性的进展。

本文对于最近十年的研究现状与应用进行了论述，对于今后的湍流减阻理论研究与应用探索具有一定的帮助。

参考文献
[1]张家龙.能源危机与船舶综合节能.能源研究与信息.1996年12卷1期:10-15页
[2]邵世明，赵连恩，朱念昌编著.船舶阻力.哈尔滨工程大学出版社，1992:2-4页
[3]黄德斌，邓先和，王杨君.沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究.水动力学研究与进展.A辑第20卷第1期:101-106页
[4]梁在朝等二肋条减阻.水动力学研究与发展.1999.9:303-311页
[5]石秀华等.条纹薄膜减小湍流阻力的实验研究.水动力学研究与发展.1996.10:546-553页
[6]王晋军，兰世隆，苗福友.沟槽面湍流边界层减阻特性研究.空气动力学报.2001，42(4):l-4页
[7]Bechert D.W.AIAA Paper 97-1960.1997
[8]Luchini P，Pozzi putation of three-dimensional stokes flow over complicated surfaces(3d riblets)using a boundary-independent grid and local corrections.In:10th European Drag Reduction Meeting，Berlin.l997
[9]DeBisschop J R，Nieuwstadt F TM.AIAAJ.，l996，34(5):932
[10]Choi K-S.Appl.Sci.Res.，l993，51:l49
[11]Starling L，Choi K-S.Non-linear laminar-turbulent transition over riblets.In:Proceedings of the Laminar Flow Workshop，Queen Mary and Westfield College，London.1997
[12]Park S R，Wallace J M.AIAAJournal，1994，32(1):31
[11]李育斌，乔志德，王志歧.气动实验与测量控制，1995，9(3):21
[12]张庆利，李京伯.空气动力学学报，1999，17(3):333
[13]CooperAJ，CarpenterPW.J.FluidMech.，l997，350:23l
[14]Kulik V M，Semenov B N.The measurement of dynamic properties of viscoe1astic materials for turbulent drag reduc-tion.In:Choi K-S，et al.(Eds.)，Emerging Techniques in Drag Reduction.Mechanical Engineering Publications Lon-don，l996，207
[15]Choi K-S，et al.Proc.Roy.Soc.Ser.Al997a，453:2229
[16]Baron A，Sibilla S.AppliedScientific Research(The Hague)，1997-1998，59(4):331
[17]王海林，李忠，朱均.西安交通大学学报，1999，338:48
[18]Fontaine A A，et al.Experiments in Fluids，1999，26(5):397
[19]Mao Zhuoxiong，Hanratty，Thomas J.AIChEJournal，1994，40(10):1601
[20]Choi K-S，et al.AIAAJ.，l998，36(7):1157。