沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展_王树立.

文章编号 :1000-2634(2008 01-0146-05沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展 *王树立 , 史小军 , 赵书华 , 刘强 , 王海秀(江苏省油气储运技术重点实验室 ·江苏工业学院 , 江苏常州 213016摘要 :针对长输管道中存在的能源消耗问题 , 分别从湍流边界层流动特性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状 , 讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响。

对沟槽面的减阻机理进行了综述 , 分析了存在的问题。

指出需要利用先进的实验技术如 P I V 等图像处理手段 , 并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究 , 以找出沟槽面湍流减阻的机理。

数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况 , 得到了一种小涡流动结构 , 同时验证了这种结构在减阻中的作用 , 阐述了对减阻的另一种认识 , 并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望。

关键词 :沟槽面 ; 湍流减阻 ; 拟序结构 ; 条带结构 ; P h o e n i c s ; 流场中图分类号 :TE 89文献标识码 :A随着全球能源消耗的不断上升 , 人们越来越认真考虑如何有效地利用和保护能源 , 探求节约能源的新方法和新技术 , 其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中 , 尽量减少表面摩擦阻力。

常规的飞机和舰船 , 其表面摩阻约占总阻力的 50%;在水下运动的潜艇 , 这个比例可达到 70%;而在长输管道中 , 泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦阻力。

在这些运输工具表面的大部分区域 , 流动都处于湍流状态 , 所以研究湍流边界层减阻意义重大 , 这已被N A S A 列为 21世纪的航空关键技术之一。

有关减阻的研究可追溯到 20世纪 30年代 , 但直到 60年代中期 , 研究工作主要集中在减小表面粗糙度上 , 隐含的假设是光滑表面的阻力最小。

之后 , 科技工作者通过对不同流动情况的实验表明 :光滑表面并非经典的 D a r c y 实验所描述的那样是减阻最佳表面。

随着 70年代 N A S A 兰利研究中心发现具有顺向微小沟槽的表面能有效地降低壁面摩阻 , 彻底突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式以后 , 沟槽减阻就成为了湍流减阻技术中的研究焦点。

特别对于长输管道 , 由于其朝着大管径、高压力、大输量方向发展 , 消耗的能源相当可观 , 减阻因此具有实际意义。

同时由于在管道中大多数流体的流动状态为湍流 , 所以带有沟槽面的湍流减阻技术研究是湍流理论研究的一个重要组成部分。

1减阻相关技术1. 1边界层早期 , 对于减阻现象的研究一般集中在利用测力天平等设备直接测量壁面所受阻力的大小上面 ; 随着研究的深入 , 研究者们越来越多地将目光集中在沟槽面湍流边界层内部流动结构及其相关规律的研究上面。

北京航空航天大学的王晋军在光滑平板上顺流向嵌入几种不同尺寸的沟槽板 , 证实了沟槽面不仅可使边界层转捩推迟 [1], 在湍流边界层区域具有减阻特性 , 而且可使近壁区紊动特性发生变化[1-3], 减阻与近壁区无量纲条带间距的减小相联系 [3]。

C h o i [4]和 O r c h a r d 在诺丁汉姆大学的低速边界层流道中进行试验 , 结果显示在转捩的非线性阶段 , 动量厚度上升速率伴随着肋条面上湍流强度的减弱而减小 , 表明沟槽面对活跃的层流边界层向湍流的转捩有明显的延迟作用。

但是到目前为止对于沟槽面湍流边界层的湍流度、猝发频率等是增加、减小还是不变仍然存在不同的看法 [5-8]。

1. 2拟序结构上世纪 60年代 , K l i n e [9]发现湍流场和非湍流场之间存在一层明显可辩识的界面 , 该界面后来被第 30卷第 1期西南石油大学学报 (自然科学版 V o l . 30N o . 1 2008年 2月J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y (S c i e n c e &T e c h n o l o g y E d i t i o n F e b . 2008*收稿日期 :2007-03-06基金项目 :江苏省教育厅资助项目 (04K J 440030 ; 江苏省油气储运技术重点实验室资助项目 (C Y 0505 。

-, 男 (汉族 , , , ,称为大涡结构 , 又称为拟序结构 , 它的发生是不规则的。

拟序结构的发现极大地改变了对湍流本质的认识 , 标志着对湍流本质的认识从完全无序的阶段进入了无序中的有序新阶段。

天津大学力学系的周恒 [10]利用流动稳定性理论中的一般共振三波的概念 , 提出一种湍流边界层近壁区相干结构产生机理的理论模型 , 考察了压力梯度对湍流边界层相干结构的影响 , 得到的相干结构的空间形态 , 展向尺度 , 传播速度等都与数值模拟结果接近 ; 应用湍流边界层近壁区单个相干结构的理论模型 , 通过数值模拟的方法研究了两个相干结构的相互影响 , 解释了出现低速条纹的原因 [11]。

王晋军对拟序结构开展实验研究 [12], 通过分析流动 , 发现沟槽面的条带转捩比较平坦 , 低速条带转捩有较好的直线性 , 说明沟槽限制了流体的横向流动 , 增强了流动的稳定性。

1. 3条带结构湍流底层存在条带结构已是众所周知的事 , 在顺流向中流速快慢相间的条带结构 , 是湍流相干结构的组成部分 , 条带结构的突然上升和破裂是湍流形成和发展的重要因素。

条带结构的影响因素、动力特性、理论模型及其控制都是重要的研究领域。

梁在潮对逆压梯度进行研究并认为 :在零压力梯度流场中 , 慢速条带较窄 , 慢速条带较宽 ; 但在有逆压梯度的流场中 , 慢速流带较宽 , 其宽度可与快速流带的相当 , 两种条带本身的流速分布比较均匀、平静 , 而在两种条带交界面附近 , 其流动很混乱 , 因此快慢两种条带的交接面区对湍流产生重要作用。

对于光滑壁面 , 在近壁区存在低速条带转捩结构 , 其无量纲间距遵循对数正态分布 , 在粘性底层内 , 其平均值约为 100。

而对于沟槽面 , 王晋军 [13]对不同学者的研究方法、结果进行了总结 , 并与光滑面进行了对比。

1. 4层流向湍流的转捩传统观点认为转捩从扰动的放大开始。

由于非线性的作用 , 当扰动增长时 , 高次谐波将产生 , 流动变得越来越复杂 , 最终导致湍流的产生。

周恒对层流 -湍流转捩 [14]的数值模拟结果进行了分析 , 认为平均流剖面稳定性的改变在破裂过程中起到了关键性作用。

清华大学航天航空学院的肖志祥及其合作者运用 B a l d w i n -L o m a x [15](B -L 和 S p a l a r t -A l l m a r a s [16](S -A 模式对平板边界层、A e r o s p a t i a l A -p r o f i l e 翼型低速大迎角和 R A E -2822翼型跨声速激波的边界层干扰流动进行了数值模拟分析 , 自动捕捉流动的转捩过程的何克敏及其合作者[17]在西北工业大学的二元低湍流度柔壁自修正风洞中考察了湍流度和雷诺数对附面层转捩位置的影响 , 得出如下结论 :对于层流翼型模型 (翼弦长 300m , 当湍流度小于 0. 1%时 , 它对附面层转捩点位置没有显著影响 , 但当湍流度大于 0. 1%之后则影响明显 ; 而对于 N A C A 0024对称翼型 (弦长 400m 模型 , 其表面附面层转捩点位置不受湍流度的影响 ; 对于 K r a m e r 型的非各向同性柔性壁 (用密封的橡胶包裹着细长型物体做成了弹性覆盖层 , 并用销钉将这一层固定在物体的表面上 , 在外套与物体之间的空间中充填不同粘度的液体 , 将其放在水中作拖曳运动 , 与同体型同尺寸的光洁硬壳模型相比 , 有利于层流边界层的转捩延迟 , 减小阻力。

2影响沟槽面减阻的因素2. 1沟槽的形状N A S A 兰利研究中心的 W a l s h 及其合作者 [18-21]对应用于湍流减阻中的不同断面的 r i b l e t s (包括三角形、矩形、V 形、半圆形 , 等做了大量实验 , 发现具有最佳减阻特性的是三角形沟纹 (见图 1 , 当其高度 h 和间距 s 的无量纲尺寸h +≤ 25和s +≤ 30时具有减阻特性 , 减阻效果最佳时沟槽的尺寸为 h += s +=15, 这时可减阻 8%。

W i l k i n s o n 和 L a z o s 在 N A S A 兰利研究中心曾首先推出 t h i n -e l e m e n t -i b l e t s (薄肋型减阻沟纹 , 即“ 高横比” 不同的四边形沟槽面 , 并在低速风洞内做了大量实验 [22], 发现减阻量大致与槽的高度成正比而与间距成反比 , 最大减阻量发生在大“ 高横比” 沟槽面上 , 且与对称 V 型沟槽的 8%相当 , 这一点与 W a l s h 的实验结论相近。

C h o i [23]和 W a l s h 认为具有减阻效应的沟槽必须具有锐利的峰脊且沟槽间距与低速条带间距存在某种关系。

因此 , 较为一致的看法是 :当沟槽的无量纲间距和高小于 30时 , 沟槽面具有减阻效应。

图 1沟槽几何形状截面示意图147第 1期王树立等 :沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展沟槽面有顺流向和垂直流向两种放置方式。

梁在潮 [24]在水洞中分别进行了横、纵向沟槽面边界层的流动显示实验。

他发现顺流向沟槽面可以控制低速条带的数量而改变其间距 , 从而能影响减阻的效果 ; 而横向沟槽则通过控制低速条带的长度来影响减阻的效果 , 顺流方向的放置方式已有多人研究 , 王晋军在边界层减阻特性 [25]研究中 , 得出了局部阻力减少高达 13%~26%的结论 , 并且他认为横向沟槽减阻效果不大 , 但是南京航空航天大学的潘家正 [26]将垂直于流动方向的小尺寸肋条按一定的间隔固定在平板上 , 利用自制的悬挂式天平测量了不同风速下的阻力 , 获得了约 10. 2%的减阻效果。

2. 3流场压力梯度有压力梯度的流场是很普遍的 , 而沿诸如飞机外表面、船舶水面以下、叶片、管道内壁 , 其压力梯度是不断变化的 , 使得湍流处于非平衡状态 , 给湍流的计算带来很大的困难 , 所以弄清楚不同压力梯度对湍流相干结构的影响 , 有特别重要的意义。

W a l s h [27]对这一问题进行了讨论并认为在小压力梯度下 , 沟槽表面仍然具有减阻效应 , 效果与零压力梯度时相比基本不变 , 这一点基本上取得共识。