湍流减阻意义与工程应用
流体力学中的流体中的湍流衰减与湍流消失
流体力学中的流体中的湍流衰减与湍流消失流体力学中的湍流衰减与湍流消失流体力学是研究流体运动规律的科学领域，其中湍流是流体力学中的一个重要概念。
湍流是指在流动过程中，流体在某一位置发生周期性扰动和混乱的现象。
湍流的出现使得流体运动变得复杂并且难以预测，因此，研究湍流的发生机理以及其衰减、消失的过程具有重要的理论和实际意义。
湍流衰减是指湍流能量在流动过程中逐渐减弱的现象。
湍流的能量来源于流体的惯性和流动环境的扰动。
在大多数情况下，湍流发生后会逐渐消耗能量并衰减，最终转变为稳定的层流。
湍流衰减的过程受到多种因素的影响，如流体的黏性、流场的环境、流动的速度等。
当流体的黏性较高或流动速度较低时，湍流的衰减速度较快。
相反，当流动速度较高或流体的黏性较低时，湍流的衰减速度较慢。
此外，流动环境的扰动也会对湍流的衰减过程产生影响。
湍流的消失是指湍流被完全抑制或湮灭的过程。
湍流的消失可以通过控制流动条件来实现，比如通过增加流体的黏性、减小流动速度、增加表面粗糙度等手段。
此外，湍流的消失还可以通过采用控制措施来实现，如在流场中引入流动干扰、采用层流化网格等。
这些措施可以有效地降低湍流能量并抑制湍流的发生。
湍流衰减和湍流消失在不同的领域和工程应用中具有重要的意义。
例如，在空气动力学中，湍流的产生会导致飞行器的阻力增大和气动噪声的产生，因此研究湍流的衰减和消失对于提高飞行器的性能和降低噪声具有重要意义。
在流体输运和换热中，湍流的发生会对传热和传质过程产生影响，因此控制湍流的发生和消失对于提高传热和传质效率具有重要意义。
总之，流体力学中的湍流衰减和湍流消失是一个重要的研究领域。
通过研究湍流的衰减和消失机理，可以为各个领域和工程应用中的湍流问题提供有效的解决方案，进而提高流体运动的效率和性能。
流体力学研究人员将继续努力深入探索湍流的本质和特性，以期在湍流控制和应用中取得更大的突破。
湍流减阻意义与工程应用
湍流减阻意义与工程应用摘要：湍流减阻的原理与粘性减阻的定义应用，高分子聚合物在湍流中的原理解释，从不同的方向阐述了当今流体湍流减阻的研究成果，展现了湍流减阻的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流减阻的前景,并对湍流减阻的发展提出了一些建议和设想。
关键词：湍流减阻；粘性减阻；高分子聚合物；湍流Turbulent drag reduction significance and engineering applicationAbstract: the principle of turbulent drag reduction and viscous drag reduction the definition of the application of polymer in the turbulence theory to explain, in different directions this paper expounds the current research achievements of fluid turbulent drag reduction, showed the in-depth of turbulent drag reduction for the important role of science and technology and social development, the outlook of the turbulent drag reduction, and puts forward some Suggestions on the development of turbulent drag reduction and ideasKey words: turbulent drag reduction; Viscous drag reduction; Polymer; turbulence人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。
湍流减阻原理和应用
湍流减阻原理和应用嘿，朋友！想象一下你在湍急的河流中划船，那水流疯狂地冲击着船舷，让你费尽力气也前进不了多少。
这时候，如果能有一种神奇的力量让这凶猛的水流变得温顺，让你的船轻松前行，是不是很棒？其实啊，这背后就隐藏着湍流减阻原理的奥秘。
在我们的日常生活中，湍流随处可见。
比如当你打开水龙头，水哗哗地流出来，如果水流很急，就会形成湍流。
再比如，当风呼呼地吹过街道，遇到建筑物时也会形成湍流。
而湍流减阻原理，就是要在这些看似混乱的流动中找到规律，然后想办法减少阻力，让物体能够更顺畅地移动。
咱们来瞧瞧飞机在天空中飞行的场景。
飞机那庞大的身躯在空气中穿梭，空气可不会轻易放过它，会形成强大的阻力。
如果不解决这个问题，飞机不仅飞得费劲，还会消耗大量的燃料。
这时候，湍流减阻原理就派上用场啦！科学家们通过研究发现，在飞机的表面采用一些特殊的涂层或者设计一些微小的结构，就能够有效地减少空气湍流带来的阻力，让飞机飞得又快又稳。
那湍流减阻原理在日常生活中还有哪些应用呢？比如说，游泳的时候。
你看那些专业的游泳运动员，他们的泳衣可都是精心设计的。
泳衣的材质和表面纹理能够减少水流在身体表面形成的湍流，从而降低阻力，让他们在水中如鱼得水。
还有汽车！汽车在高速行驶时，空气的阻力可不小。
为了让汽车跑得更顺畅，更省油，工程师们也在利用湍流减阻原理。
他们会优化汽车的外形，让空气能够更平滑地流过车身，减少阻力。
你可能会问，这湍流减阻原理到底是怎么做到减少阻力的呢？这就好比在一条拥挤的街道上，如果大家都乱哄哄地挤来挤去，那谁也走不快。
但要是有个指挥的人，让大家有序地排队前行，是不是就顺畅多了？湍流减阻原理就是那个“指挥的人”，通过改变流体的流动状态，让它们更有秩序，从而减少阻力。
想象一下，如果没有湍流减阻原理的应用，我们的生活会变得多么糟糕？飞机可能要耗费更多的燃料，飞行成本会大幅增加，机票价格可能会高得让我们望而却步。
汽车可能会变得更加耗油，我们的出行成本也会随之上升。
水环式真空抽采泵湍流减阻节能提效在余吾矿的应用
子结构是( ＣＨ ２ ＣＨ ２ Ｏ) ꎮ
表 １ 降阻提效剂性状描述
性状
提效剂
外观
白色粉末状
气味
稍带气味
毒性
无毒环保型
目数
８０
分子量 / ( ｇｍｏｌ －１ )
１０ ５ ~ １０ ６
ｐＨ 值
粘度(０. ５％) / ( ＭＰａｓ －１ )
７
图 ２ 聚氧化乙烯分子式和实物
外 ２ 台备用ꎬ额定功率是 ８００ ｋＷꎬ当前 ３ 号瓦斯抽
采泵是实验对象ꎬ被改造成运用减阻工作液的全封
闭式瓦斯抽采泵节能系统ꎬ具体如图 ３ 所示ꎮ
图 ４ 是地面全封闭式瓦斯抽采泵节能系统运
行ꎬ其运行流程为由水环真空泵经过气液分离设备
之后ꎬ到达煤粉过滤设备ꎬ在进入流道式换热设备ꎬ
最后再次到达水环真空泵ꎮ
泵年可实现净节能效益为 ５８. ８ － ６. ９ ＝ ５１. ９ 万元 / ａꎮ
故此能够 发 现ꎬ 该 抽 采 泵 站 每 年 的 节 能 效 益 达 到
２０７. ６ 万元ꎮ
表 ３ 试验前后 ２ 号瓦斯抽采泵性能参数
工作液
清水
抽采负
压 / ｋＰａ
减阻液
０. ８１ꎮ
－４５
－４５
电流 耗水量 / 轴功率 节能效 单泵节电量 /
置ꎬ实现了工作介质的“ 循环水池自然冷却—强制
对流冷却” 的过程ꎮ 结合煤矿现场水质差、硬度高、
煤粉含量高等恶劣工况ꎬ选用防堵能力强、易拆装清
洗、适用于高粘性介质的换热装置ꎬ大幅度提升节能
设备的安全性与稳定性ꎮ
２) ＰＬＣ 监测与控制系统:通过自主开发设计
监控程序ꎬ用于监测减阻工作介质和循环冷却水的
油气田开发中湍流减阻剂及其应用研究进展
理， 重点综述了
在油气田开发 的应用研究 展，并展
了纳米材 在
中的应用前 ，+# 国
油气田开发
的研发与应用提供 。
1湍流减阻剂研究进展
1.4减阻剂类型
前，油气田开发中用的
面
大类。
5要 I
收稿日期0024-09N0 修改稿日期：2O2OC4C3 基金项* ：国家自然科学基金(51874330)；山东省自然科学基金(ZR2018MEE014) 作者简介：司晓冬(590-),男，河南商丘人，在读博士生，师从李明忠教授，研究方向为油田化学和储层改造新材料。电
国非常规油气的开发
。 在:&
裂用 面
、
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存
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的分子链
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研究人 续攻关，已在压裂
备及应用方
面 了 大 1。
•等［24］ 备了 H
分子链发生断裂,会弱化
。
甚至完全
，当其浓 0.45%时，减阻率为55% ,同 适当提高 。孟磊淳研发了一种疏 纟帝
规滑
，其 率高达75.5%,携
、与其 加剂
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攻关与 。
12湍流减阻特性
动极不规则,加剧了 耗散, 町流 q ， i klm、 等'0 '
等。 S 在
动
{
3
,但并非流动雷诺数越大越好,存在
数
的
率!高，
临界雷诺 临雷
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(3)776]。
减阻流动控制技术
减阻流动控制技术1. 引言减阻流动控制技术是一种应用于流体力学领域的技术，旨在降低流体在管道、船舶、飞行器等载体上的阻力，以提高其运行效率和性能。
减阻流动控制技术在工程实践中具有广泛的应用前景，可以为各个领域带来巨大的经济和环境效益。
2. 减阻流动控制技术的原理减阻流动控制技术主要通过改变流体的运动状态、调整流体与载体之间的相互作用以及优化载体表面形态等方式来降低阻力。
具体原理如下：2.1 流体运动状态调整通过改变流体的速度分布、湍流强度和涡旋结构等参数，可以有效地减少阻力。
常见的方法包括增加局部速度、改变湍流结构等。
2.2 流体与载体相互作用调整通过改变载体表面形态或添加特殊结构，可以使得流体在与载体接触时产生更小的摩擦力和压力损失，从而降低阻力。
常见的方法包括表面涂层、纹理结构等。
2.3 载体表面形态优化通过优化载体的几何形状和表面特性，可以使得流体在载体表面上的流动更加顺畅，减少阻力。
常见的方法包括减小载体横截面积、改变载体曲率等。
3. 减阻流动控制技术的应用领域减阻流动控制技术在各个领域都有广泛的应用，下面介绍其中几个典型领域：3.1 管道输送在石油、天然气等管道输送系统中，采用减阻流动控制技术可以降低管道摩擦阻力和能量损失，提高输送效率。
常见的方法包括添加内部涂层、优化管道弯头设计等。
3.2 船舶运输在船舶设计中，采用减阻流动控制技术可以降低船舶在水中的阻力，提高速度和燃油利用率。
常见的方法包括优化船体外形、增加尾迹管理装置等。
3.3 飞行器设计在飞行器设计中，采用减阻流动控制技术可以降低飞行阻力，提高飞行速度和燃油效率。
常见的方法包括优化机翼形状、控制尾迹产生等。
3.4 汽车工程在汽车工程中，采用减阻流动控制技术可以降低汽车在行驶过程中的空气阻力，提高燃油经济性和稳定性。
常见的方法包括优化车身外形、增加空气动力学装置等。
4. 减阻流动控制技术的发展趋势随着科学技术的不断进步和应用需求的不断增长，减阻流动控制技术也在不断发展。
湍流降阻应用实例
湍流降阻湍流减阻技术有泥沙减阻[ 1]、微汽泡及吹气和吸气减阻[ 2,3]、聚合物减阻[ 4]、涂层减阻[ 5]、磁减阻[6]、仿生非光滑减阻[7-12]等, 这些技术主要是控制边界层内的湍流结构, 特别是拟序结构, 从而达到控制湍流动能损耗, 实现减阻目的。
仿生学研究发现鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年进化过程, 形成了一种满足自身生存需要的非光滑减阻表面。
如Reif 教授在研究40 多种不同生长阶段的鲨鱼后, 发现当鲨鱼快速游动时, 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, Reif 认为, 鲨鱼皮上的鳞脊可以使边界层稳定, 减小快速游动阻力[9]。
受此启发, 用仿生非光滑技术改变近壁区流场, 减小壁面摩擦阻力, 不会给使用体带来附加设备、额外能量消耗和污染物, 仅改变壁面形状就达到减阻效果,在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法。
图1 为三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽形状参数示意图, 其中s = 0. 1mm, h =0. 05mm, 刀刃形沟槽刃宽t = 0. 2 × h 。
三种模型在相同的计算域中模拟, 将光滑表面与沟槽表面置于同一流场中, 便于结果对比, 减小计算误差。
先在ANSYS 中建立几何模型, 对其进行离散化, 再将离散单元导入GAMBIT 中, 进行网格平滑处理和区域划分, 最后将网格导入FLU ENT 中进行计算及结果显示。
为了便于观察流场运动情况, 沿流向布置8 个沟槽。
三角形和扇贝形用六面体网格离散, 刀刃形用三角形网格离散。
流向均匀划分40 个网格点, 垂向不等间距划分40 个网格点, 中心处网格最稀, 从中心向两边网格间距以0.25 倍等比速度减小, 沟槽表面划分变尺寸网格, 沟槽网格密度在谷底最稀, 谷顶最密, 网格间距从谷顶到谷底以0. 5 等比速度减小。
三种情况下沟槽表面所划分的网格密度相同, 并等于光滑表面。
微小气泡及行波洛仑兹力作用下槽道湍流减阻的数值研究的开题报告
微小气泡及行波洛仑兹力作用下槽道湍流减阻的数值研究的开题报告研究背景和意义槽道湍流的减阻一直是流体力学领域的重要研究课题之一，因为槽道湍流中的摩擦阻力占据了总阻力的很大比例，如何减小槽道湍流的摩擦阻力，提高流体运动的效率，对于实际工程应用有着重要的意义。
目前，减少槽道湍流摩擦阻力的方法主要有两类：一是采用粗糙壁面，如鲨鱼鳞片等表面结构，通过稳定湍流边界层，减小摩擦力；二是利用微小气泡或添加界面活性剂等方法，改变液体表面张力或界面特性，来减小摩擦阻力。
本文主要研究的是第二种方法，即利用微小气泡降低槽道湍流的摩擦阻力。
微小气泡的大小一般在10微米以下，可以被认为是球形粒子，当它们被加入液体中时，会在流体中形成一种特殊的运动状态，即微小气泡的轨迹会对周围流场产生影响，从而改变流体的特性，可使摩擦阻力降低。
另外，行波洛伦兹力也是一种可以用来减小槽道摩擦阻力的方法。
通过在槽道中施加合适的电流和磁场，可以产生行波洛伦兹力，使流体在横向方向上产生交错运动，从而减小流阻。
因此，本研究旨在通过数值模拟的方法，探究微小气泡和行波洛伦兹力对槽道湍流减阻的作用机理和效果。
研究内容和方法本研究将使用开源的LES（Large Eddy Simulation）代码 OpenFOAM 来模拟槽道湍流以及微小气泡和行波洛伦兹力对其的影响。
具体研究内容和方法如下：1. 构建槽道模型并进行网格划分。
通过确定模型尺寸和物理参数（如雷诺数），利用 OpenFOAM 工具进行网格划分并生成网格文件。
2. 进行湍流模拟。
将槽道模型和网格文件导入 OpenFOAM 中，利用其内置的LES 求解器对槽道湍流进行模拟，获取流场数据和涡旋结构等关键信息。
3. 添加微小气泡并计算其轨迹。
将微小气泡的物理属性加入 LES 模拟中，在流体运动过程中计算微小气泡的位置和运动状态。
同时，通过 LES 模拟计算微小气泡对流场的影响，分析其对摩擦阻力的减小作用。
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湍流减阻意义与工程应用摘要：湍流减阻的原理与粘性减阻的定义应用，高分子聚合物在湍流中的原理解释，从不同的方向阐述了当今流体湍流减阻的研究成果，展现了湍流减阻的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流减阻的前景,并对湍流减阻的发展提出了一些建议和设想。
关键词：湍流减阻；粘性减阻；高分子聚合物；湍流Turbulent drag reduction significance and engineering applicationAbstract: the principle of turbulent drag reduction and viscous drag reduction the definition of the application of polymer in the turbulence theory to explain, in different directions this paper expounds the current research achievements of fluid turbulent drag reduction, showed the in-depth of turbulent drag reduction for the important role of science and technology and social development, the outlook of the turbulent drag reduction, and puts forward some Suggestions on the development of turbulent drag reduction and ideasKey words: turbulent drag reduction; Viscous drag reduction; Polymer; turbulence人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。
经过一百多年的研究工作，人们的认识日益深化,预测方法不断改进。
随着我国飞速发展，所需的战略型资源--化工石油越发紧缺【1】。
同时，随着我国大部分油田开发进入中后期，采出油品的流动性不断恶化，使得管道输送阻力急剧增大，运营成本剧增。
因此如何降低石油及其产品的管输阻力成为国内外众多学者研究的热点和难点问题。
自从Toms,Kramer先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现减阻以来,减阻现象与边界剪切湍流产生的基本规律密切相联【2-3】。
粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件,依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流动的运动和动力学特性,从而达到减阻目的的技术【4】。
1、粘性减阻当粘性流体沿边界流过时,由于在边界上流速为零,边界面上法向流速梯度异于零,产生了流速梯度和流体对边界的剪力。
边壁剪力作功的结果消耗了流体中部分能量,并最终以热量形式向周围发散。
边界面的粗糙程度,决定微观的分离和边界的无数小旋涡几何尺寸的差异,从而决定流体能量消散的差异和阻力系数的差异[5～7]。
如想达到粘性减阻,首先要实现壁的光滑减阻;就要改变层流边界层和湍流边界层中层流附面层的内部结构:1)减小层流边界层和层流附面层贴近边界处的流速梯度值和流体对边界的剪力,减小通过粘性直接发散的能量值,达到减阻。
2)增大层流边界层和层流附面层的厚度,从而达到减阻【8-10】。
2、高分子稀溶液高分子稀溶液减阻是通过从流体内侧边界创造条件,以实现减阻。
长链高分子稀溶液能导致减阻的共同特点是:其额定分子量数量级都是高达百万的。
从减阻的结果来看它只对湍流有效；而对层流则无效。
而且只有当高分子稀溶液注入到临边界区域时,才能实现减阻[14～15]。
第一种认为减阻作用是由于减阻剂使边界层产生了滑动。
第二种认为是由于高分子稀溶液延缓了近壁区层流向湍流的过渡,使层流附面层增厚了,流速分布发生了弹性变形,出现“缓冲层”。
第三种认为是稀溶液改变了流体粘性。
从化学角度来看,当在附壁区受流体剪力作用时,卷曲的分子链将直化。
而解除外力后则力图回缩至原状,具有弹性,故较容易与层流附面层发生同步波动。
归根到底,高分子化学稀溶液能在内外流中起减阻作用,是由稀溶液中溶质的化学结构所决定的。
在化学结构中,影响和决定减阻的主要因素是大分子的链环数[18],每链环的分子量值。
如果高分子结构,浓度所决定的宏观力学指标使得近壁薄层具有弹性,对层流附面层波动具有完全的柔顺性,而链网内部阻力损失很小,那么它就有良好的减阻效果。
但高分子在受到流动剪力或其它机械力易产生降解,从而降低和丧失减阻性能并有较昂贵的费用[19]。
表1为过去几十年中较通用的几种材料和有效的减阻浓度范围【12-13】。
表1 高分子减阻器Table 1 polymer drag reduction3、高分子聚合物对湍流漩涡的作用聚合物湍流减阻的基本思想就是最大限度地阻止湍流的迸发，即降低湍流迸发频率和强度。
只有在流动漩涡为非对称流动的情况下，其中的聚合物才可能存在反向扭矩，当湍流漩涡遇到阻碍其运动的壁面时，发卡型漩涡变得不对称，导致聚合物产生反向扭矩，而发卡型漩涡偏离其自身中心对称轴。
从而高分子聚合物可以利用自身具有的粘弹性反向扭矩抑制湍流漩涡的旋转翻腾，进而降低湍流程度，减小流动阻力【16】。
4、减阻剂减阻剂是一种减少液体管道内摩阻损失的化学制品，是高分子聚合物，属碳氢化合物。
早在1944年，美国麻省理工学院就研究了能够减阻的物质【17】。
1947年美国海军研究院开始进一步的发展研究。
在60年代后期，美国的生产厂家己开始对减阻剂进行研制生产。
1979年美国Conoco公司生产的CDR减阻剂开始应用在横贯阿拉斯加的原油管道上。
自80年代初以来，在世界范围内，海上、陆上有几百条输油管道都陆续应用了减阻剂【21】。
5、柔顺壁减阻柔性化是以柔顺的边界替代了刚性边界面从流体外侧边界创造条件来影响流体流动的。
柔性化后使边界产生同步波动,从而减小牛顿剪切应力,阻滞层流边界层流态的转捩,导致层流附面层或层流边界层的增厚[23～24]。
许多研究者考虑了应力与速度在层流边界层或层流附面层与柔性壁交界面的连续性,通过计算证明Kramer型的非各向同性柔性壁有利于层流边界层的转捩延迟[22]。
近年来,从内、外侧同时来改变流体状况的水溶性高分子涂层[25]。
其一方面是从涂层溶解出来的线型高分子,沿流取向的过程中抑制湍流和湍流压力的脉动;第二方面是涂层在水中不断地溶胀,形成弹性模数梯度,引起壁的柔顺效应。
但这种涂层在很短时间内,会由于涂层的完全溶解而失去了减阻的效果。
6、医学上的应用有人研究用减阻剂(葡萄糖类)和高疏水性的血管材料来减少血液流动的粘性摩阻,增大血流量。
以治疗由于胆固醇沉积使冠状动脉管径减少引起的心肌供氧不足,心脏负担过重的冠心病【20】。
7、船舶航行船舶或水下兵器在水中航行时，水的粘性摩阻及其引起的噪声是影响船速和水下兵器作战性能的主要因素。
在其外壁涂上某些高分子物质,如表面柔性高分子材料,水溶性高分子涂层,低表面能减阻涂层等，可减少航行阻力和噪声，提高航速和声纳的信噪比，降低动力耗散。
同样，这种涂层也可用于体育比赛的赛艇上以提高船速。
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