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