湍流降阻应用实例
倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟
倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟一、引言湍流边界层减阻一直是流体力学领域的研究热点之一。
倾斜吹吸控制是一种常用的湍流边界层减阻方法，通过在边界层表面施加吹吸力以改变边界层流动结构，从而降低湍流阻力。
本文将探讨利用直接数值模拟方法研究在倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的问题。
二、倾斜吹吸控制的原理2.1 湍流边界层的特征湍流边界层是一种典型的湍流运动形态，在流体力学中具有重要的研究价值。
湍流边界层流动具有粘性效应，流速分布不均匀且表面摩擦力较大。
减少湍流边界层的阻力是提高飞行器气动性能的重要手段。
2.2 倾斜吹吸控制原理倾斜吹吸控制是一种基于边界层流动结构改变的控制方法。
通过在边界层表面施加不同位置和强度的吹吸力，可以改变边界层流动的速度分布和湍流结构，减小阻力。
三、直接数值模拟方法3.1 直接数值模拟的基本原理直接数值模拟(Direct Numerical Simulation, DNS)是一种通过数值方法求解流体力学方程组，直接计算涡量、速度等物理量的方法。
DNS方法适用于边界层流动及湍流等流态，可以提供高精度的流动参数。
在倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的研究中，DNS方法可以提供详细的流动结构、湍流特性等信息。
3.2 DNS方法在湍流边界层减阻研究中的应用近年来，DNS方法在湍流边界层减阻的研究中得到了广泛应用。
通过对边界层流动的直接数值模拟，可以获取边界层内各项流动参数的详细信息，包括速度分布、湍流结构等。
借助DNS方法，可以精确地模拟湍流边界层的减阻效果，为边界层流动控制提供理论支持。
四、倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的数值模拟研究4.1 模型设定在进行湍流边界层减阻的数值模拟研究之前，需要确定具体的模型设定，包括边界条件、数值方法等。
边界条件的设定需要考虑倾斜吹吸控制的参数及影响因素，数值方法需要选择适合边界层流动模拟的方法。
4.2 湍流边界层减阻效果的数值模拟结果通过对湍流边界层减阻的直接数值模拟，可以得到减阻效果的定量化结果。
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。
沟槽面湍流减阻研究综述.
收稿日期 : 1996212213第一作者男 33岁教授 100083北京1998年 2月第 24卷第 1期北京航空航天大学学报 Journal of Beijing U niversity of A eronautics and A stronauticsFebruary 1998V o l 124 N o 11沟槽面湍流减阻研究综述王晋军(北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系摘要对近 20年来沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构、湍流减阻及其机理的研究进展进行了综述 . 内容涉及沟槽面平板、旋成体、机翼等在压、跨、超音速流动情况下的实验研究成果 ; 压力梯度、攻角、侧滑角等的影响 ; 湍流猝发特性、紊动特性、近壁区带条结构的特征及减阻机理等方面的工作 . 为更有效地减少表面摩阻 , 必须深入开展对沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构及湍流减阻机理等方面的研究 .关键词湍流边界层 ; 减阻 ; 湍流结构 ; 沟槽面分类号 O 357. 54; V 211. 19节约能源消耗是人类一直追求的目标 , 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 . 表面摩阻在运输工具的总阻力中占有很大的比例 , 例如 :常规的运输机和水上船只 , 其表面摩阻约占总阻力的 50%; 对于水下运动的物体潜艇 , 这个比例可达到 70%; 离的管道输送中 , 表面摩擦阻力 . 域 , , 阻意义重大 , 已广泛的重视 , 并已被NA SA 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本世纪 30年代 , 但直到 60年代中期 , 研究工作主要是减小表面粗糙度 , 隐含的假设是光滑表面的阻力最小 . 70年代阿拉伯石油禁运和由此引起的燃油价格上涨激起了持续至今的湍流减阻研究的高潮 . NA SA 兰利研究中心的工作是这一时期的代表 , 他们发现顺流向的微小沟槽表面能有效地降低壁面摩阻 , 突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式 . 为了更有效地对物体表面进行湍流减阻设计 , 人们对沟槽面湍流边界层特性及其减阻机理进行着不懈的探索 .1沟槽面阻力特性研究1. 1沟槽平板NA SA 兰利研究中心的 W alsh 及其合作者最先开展了沟槽平板湍流减阻的研究 [1~4], 他们研究了几种类型的沟槽表面 , 天平测力结果表明最佳的设计是一种对称的 V 型沟槽面 , 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%..], 利25%的净减阻 . 采用 , Gallagher 和 T hom as [6]的研究结果表明只在沟槽板的后半部分阻力有所减小 , 但总的阻力几乎不变 . Cou sto ls [7]得到了 10%~15%的减阻 , 且当侧滑角Β≤ 20°时仍有较好的减阻效果 .Park 和 W allace [8]用热线风速仪详细测量了沟槽内的流向速度场 , 通过对沟槽壁切应力的积分 , 得到了大约 4%的减阻 . Gaudet [9]在 M a =1. 2的沟槽面湍流边界层的研究中得到了 7%的减阻 . W ang [10]研究了沟槽面对边界层转捩的影响 , LDV (激光测速仪测量结果表明 , 沟槽面不仅使层流边界层区域增大 , 且使转捩为湍流的雷诺数约增大 4倍 , 从而降低了平板边界层的阻力 . 1. 2旋成体N eum ann 和 D ink lacker [11]对头部为椭圆旋成体的圆柱体的研究表明 , 可减阻 9%, 而在转捩区得到了13%的减阻 . 对于类似的模型 , Cou s 2to ls[7]在 M a =0. 3~0. 815的跨音速流动中得到了 7%~8%的减阻 .1. 3翼型及压力梯度的影响 Cou sto ls [7]对 L C 100D 翼型在攻角Α=0°~6°的阻力特性进行了研究 . 实验中 , 仅上表面 x c =0. 2~0. 95的区域为沟槽面 , 通过测量 x c =1.5处的尾流得到Α≤ 3°时可减阻 2. 7%.Sundaram 等 [12]对上下翼面 x c =0. 12~0. 96区域为沟槽面的 NA CA 0012翼型的研究表明 , 在攻角Α≤ 6°的范围内有 16%的减阻 .对于跨音速流动 , M c L ean 等 [13]把 3M 公司的沟槽薄膜贴在 T 233机翼上表面的部分区域 , 实验马赫数为 M a =0. 45~0. 7, 得到了 6%的减阻 . Cou sto ls 和Schm itt [14]对 CA ST 7机翼在 M a =0. 65~0. 76的实验结果表明 , 摩擦阻力减小7%~ 8%.V is w anath 和 M ukund [15]将沟槽薄膜贴在 ADA 2S 1超临界翼型上下翼面 x c >0. 15的区域 , 实验攻角为Α=-0. 5°~1. 0°, 得到了 6%~12%的减阻 .D eb isschop 和 N ieuw stadt [16]研究了逆压梯度对沟槽平板的影响 , 结果表明逆压梯度增加了沟槽板的减阻效果 , 他们得到了 13%的减阻 , 比相应的零压梯度情形多减阻 7%.1. 4应用研究大量的研究工作表明了沟槽面减阻的可靠性和可应用性 , 国外的研究已进入工程实用阶段 , 空中客车公司将 A 320试验机表面积的 70%槽薄膜 , 达到了节油 1%~2%利中心对 L earjet 6%的量级 . 在国内 , [17]1 12的运七模型 , 实验表明可减少飞机阻力 5%~8%.2沟槽面湍流边界特性研究2. 1猝发特性已有研究成果表明 , 沟槽面湍流猝发强度低 , 但对沟槽面湍流猝发频率的影响如何 , 仍有不同的看法 , 详见表 1.表 1猝发频率检测结果研究者检测方法与光滑面结果的比较Gallagher 和 T hom as [6]V ITA 法 -30% W alsh [2]V ITA 法基本不变 Bacher 和Sm ith [5]流动显示不变 Cho i [18]条件采样增加 Schw arz 2van M anen 等 [19]象限法 -30% Savill [20]流动显示 -30%Pulles 等 [21]V ITA 法 (u +20% (v -20%T ang 和 C lark [22]条件采样 +10% T ardu 等 [23]V ITA 法 -10%~-20% H efner 等 [1]不变注 :(u 、 (v 表示根据 u 、 v 向脉动速度计算得到的结果 . 2. 2紊动特性Schw arz 2van M anen 等 [19]、 Hoo shm and 等 [24]、 Pu lles 等 [21]、 Cho i [25]和 H efner 等 [1]的研究表明 , 在近壁区(u ′ U 0 的减少与减阻表面联系在一起 . T ang 和 C lark [22]、 T ardu [23]等的研究表明, (u ′ U 3 m ax 分别降低 7%和5%~8%.Cho i [25]指出 , 在 y +<70内 , 3个方向的湍流强度均减小 10%, 而雷诺应力减小 20%.T ardu 等 [23]还得到在 y +<15内平坦系数和偏斜系数增大 , T aylo r 和L iepm an 尺度不受沟槽的影响 , 但在粘性底层内沟槽使大尺度涡旋的能量减弱 .为了深入了解沟槽内的流动特性 , V uko slavcevic 等 [26]、 Park 和 W allace (8]、 Suzuk i 和 Kasagi [27]等在实验中选用了较大尺度沟槽和较低来流速度进行研究 , 以满足表面减阻设计要求 . V uko slavcevic 等 [26]得到 , 在沟谷(u ′ U 3 m ax 减少约 17%, 而在沟槽尖顶处, (u ′ U 3 m ax 约减少5%, y ∆ =6. 5%和 2%, , 但在y ∆ . Park 和 W allace [8], 而在沟谷垂线上则减小 , 但这些影响只限于 y +<40的区域 . Suzuk i 和 Kasagi [27]采用三维粒子示踪测速技术对沟槽面湍流的研究表明 , 3个方向的湍流强度和雷诺应力都减小 , 沟槽的影响限于 y h <2内 .Cho i [28]、 D eb isschop 和 N ieuw stadt [16]等研究了压力梯度的影响 . Cho i [28]得到(u ′ U 0 m ax 最大降低 5%~13%, 且顺压梯度比逆压梯度的作用要明显 ; 对于零压梯度, (u ′ U 0 m ax 减少 8%.平坦系数和偏斜系数在逆压梯度时的数值比零压和顺压梯度时的值要大 , 但沟槽仅影响 y +<16的区域 . D eb isschop 和 N ieuw stadt [16]在逆压梯度情形下得到近壁区u ′ 的减小和摩阻速度 U 3的减小为同一量级 . 对于 NA CA 0012翼型 , 实验攻角为Α=0°~6°, Sundaram 等 [12]得到 y +<40内 , u ′ U 3比光滑面降低 10%~15%.由此可见 , 沟槽面仅影响近壁区的流动 . 对于减阻表面 , 在近壁区流向湍流强度总是降低的 , 而偏斜系数和平坦系数则总是增加的 .2. 3带条结构对于光滑壁面 , 在近壁区存在低速带条结构 , 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 , 不同学者得到的结果如表 2.23北京航空航天大学学报 1998年表 2带条结构观测结果研究者观测方法与光滑面结果的比较 Gallagher 和 T hom as [6]展向相关分析 +15%~+30%Hoo shm and 等 [24]流动显示不变Bacher 和 Sm ith [5]流动显示+40%T ang 和 C lark [22]增加Pulles 等[21]减少 [27]相关分析不变3减阻机理研究近几年来 , 为了有效地设计减阻表面 , 人们的注意力集中到沟槽面湍流减阻机理的研究 . 许多学者从不同角度对减阻机理进行探讨 , Gallagher 和 T hom as [6]认为是由粘性底层厚度的增加造成的 , B acher 和 Sm ith [5]归结为反向旋转的流向涡与沟槽尖顶形成的小的二次涡的相互作用 , 认为二次涡减弱了与低速带条相联系的流向涡 , 并在沟槽内保留低速流体 (图 1 ; 流动显示结果表明 , 注入的染色液的展向扩散限于沟槽内 , 相邻沟槽间的相互作用较弱 . Cho i [18]认为不仅仅是一种机制 , 但最主要的是沟槽限制了流向涡的展向运动 , 引起壁面猝发变弱 , . W alsh[29]认为狭窄的 V,图 1流向涡和沟槽表面尖峰的相互干扰这一点被 Park 和 W allace [8]对沟槽侧面摩阻的精细测量所证实 , 他们得到侧壁上面 1 4部分的摩阻与光滑面大致相等 , 其余 3 4部分比光滑面小 , 从而导致了总摩阻的降低 . V uko slavcevic 等 [26]通过测量沟槽尖顶和低谷垂线上的流速分布得到在尖顶处摩阻增加 85%, 而在低谷摩阻降低很多 .Schw arz 2van M anen 等 [19]得到了类似的结果. 由于缺乏对低速带条结构系统的和细致的研究 , 低速带条的变化与减阻的关系还不太清楚 .4结束语湍流是一种非常复杂的流动 , 近 100年来研究工作者进行了大量的不懈的探索 , 但对其了解的还相当有限 . 关于沟槽面湍流减阻的研究还不到 20年 , 对沟槽面湍流边界层特性 , 湍流拟序结构及湍流减阻机理等的研究有待深入开展 . 只有对沟槽面湍流边界层特性及其拟序结构深入了解 , 才 ., Bushnel D M , W alsh M J . R esearch on non 2p lanar w all geom etries fo r turbulence contro l and sk in 2fricti on reduc 2ti on . 8th U . S . 2FR G D EA 2M eeting , V iscous and interactingflow field effects , Go ttingen , 1983. 1~102 W alsh M J . R iblets as a viscous drag reducti on technique . A 2I AA Journal , 1983, 21(4 :485~4863 W alsh M J . T urbulent boundary layer drag reducti on using ri 2blets . A I AA 28220169, 19824 W alsh M J , L indem ann A M . Op ti m izati on and app licati on ofriblets fo r turbulent drag reducti on . A I AA 28420347, 19845 Bacher E V , Sm ith C R. A com bined visualizati on 2anemom etrystudy of the turbulent drag reducing m echanis m s of triangular m icro 2groove surface modificati ons . A I AA 28520548, 19856 Gallagher J A , T hom as A S W . T urbulent boundary layercharacteristics over streamw ise grooves . A I AA 28422185, 19847 Cousto ls E . Behavi o r of internal m ani pulato rs :“ riblet ” modelsin subsonic and transonic flow s . A I AA 28920963, 19898 Park S R , W allace J M . F low alterati on and drag reducti on byriblets in a turbulent boundary layer . A I AA Journal , 1994, 32(1 :31~389 Gaudet L . P roperties of riblets at supersonic speed . A pp liedScientific R esearch , 1989, 46(3 :245~25410 W ang J J , L an S L , L ian Q X . Effect of the riblets surface onthe boundary layer developm ent . Ch inese Journal of A ero 2nautics , 1996, 9(4 :257~26011 N eum ann D , D inkelacker A . D rag m easurem ents on V 2grooved surfaces on a body of revo luti on in axial flow . A p 2p lied Scientific R esearch , 1991, 48(1 :105~11412 Sundaram S , V is w anath P R , R udrakum ar S . V iscous drag33第 1期王晋军 :沟槽面湍流减阻研究综述reducti on using riblets on NA CA 0012airfo il to moderate in 2 cidence . A I AA J , 1996, 34(4 :676~68213 M c L ean J D , Geo rge 2Falvy D N , Sullivan P P . F ligh t 2test of turbulent sk in 2fricti on reducti on by riblets . T urbulent D rag R educti on by Passive M eans . L ondon :Royal A eronautical Society , 1987. 408~42814 Cousto ls E , Schm itt V . Synthesis of experi m ental riblet stud 2 ies in transonic conditi on . In :Cousto ls E . T urbulence Con 2 tro l by Passive M eans . Do rdrech t :K luw er A cadem ic Pub 2 lishers , 1990. 123~14015 V is w anath P R , M ukund R . T urbulent drag reducti on using riblets on a supercritical airfo il at transonic speeds . A I AA Journal , 1995, 37(5 :945~94816 D ebisschop J R , N ieuw stadt T M . T urbulent boundary layer in an adverse p ressure gradient :Effectiveness of riblets . 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T urbu 2 M eans . Do rdrech t :K luw er A ca 2 ic Publishers , 1990. 109~12129 W alsh M J . V iscous drag reducti on in boundary layer . P rogress in A stronautics and A eronautics , 1990, 123:203~ 261Re v iew s a nd P ros pe c ts in Turbule nt D ra gRe duc tion ove r R ib le ts S urfa ceW ang J in jun(Beijing U niversity of A eronautics and A stronautics , D ep t . of F ligh t V eh icle D esign and A pp lied M echanicsA bs tra c t T he exp eri m en tal investigati on s of tu rbu len t boundary layer flow , tu rbu len t coheren t structu res , tu rbu len t drag reducti on and its m echan is m have been review ed . T he exp eri m en tal veloci 2 ties cover sub son ic , tran son ic and superson ic flow s , and the con ten t includes :(1 flow over flat p late , revo lu ti on body and w ing w ith rib lets su rface at zero angle of attack ; (2 the effect of p ressu re gradi 2 en t , angle of attack and slide angle ; (3 the bu rst characteristics , characteristics of tu rbu lence , the streak structu re in the near w all regi on and the drag reducti on m echan is m . In o rder to reduce the sk in fricti on efficien tly , m o re research w o rk s shou ld be done on the characteristics of tu rbu len t boundary layer , tu rbu len t coheren t structu res and the m echan is m of tu rbu len t drag reducti on fo r flow over ri 2 b lets su rfaces .Ke y w o rds tu rbu len t boundary layer ; drag reducti on ; tu rbu lence structu res ; rib lets su rfaces 43北京航空航天大学学报 1998年。
湍流减阻实验台
创新实验课
流体力学多尺度流动创新实验
实验报告
姓名：
学院：
学号：
实验名称：湍流减阻实验台
湍流减阻实验台
一．实验数据及整理
二、思考题
换热器中局部阻力能不能有减阻效果？
在管径D=26mm的充分发展直管段内，CTAC/NaSal减阻溶液浓度为200～600mg/L时均出现了不同程度的减阻效果不稳定现象，当溶液浓度增加到800mg/L时，在溶液温度小于60℃，溶液流动雷诺数小于105时产生了高达81%的高效而稳定的减阻现象.通过实验室实验研究对一些局部管件内进行了分析。
研究结果表明，局部管件内的减阻效果都很差，且影响其内减阻效果的因素包括:局部阻力系数大小、自身结构、溶液直管段减阻效果的一切因素。
因此表面活性剂对换热器中的局部阻力减阻效果很差。
三、实验收获
通过此次试验，更加深刻理解了湍流的流动情况，理清了在流体中没弄懂的知识。
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。
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
集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价
集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价王开亭;李小斌;张红娜;刘糁;曲凯阳;李凤臣
【期刊名称】《综合智慧能源》
【年(卷),期】2022(44)9
【摘要】对热电联产供热、太阳能供热、风能供热等不同供热系统的发展以及技术应用现状进行了回顾,以不同集中供热系统为例,对假想在系统中添加湍流减阻剂后的节能减排效果进行了评价,并筛选出适用于不同供热系统的湍流减阻剂。
结果表明,假想添加合适的湍流减阻剂后,1个供热面积为100万m2、供暖季长150 d 的供热系统可减少经济损失约29.4万元,节省标准煤587.2 t,减少二氧化碳排放1409.8 t;若在全国集中供热系统中普及添加减阻剂,1个供热季可节省标准煤5.7 Mt,减少经济损失约28.8亿元,减少二氧化碳排放约14 Mt。
这些数据表明集中供热系统中湍流减阻剂的应用能够产生显著节能减排效果和巨大经济效益。
【总页数】11页(P40-50)
【作者】王开亭;李小斌;张红娜;刘糁;曲凯阳;李凤臣
【作者单位】天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室;北京京能恒星能源科技有限公司;中国建筑科学研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TK01
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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。
图2 CFD模型表1 三种沟槽表面上网格点数列表网格总数沟槽表面积形状顶角s h 沟槽表面网格数三角形90°0.1 5×10-214 181023 4.53×10-6扇贝形- 0.1 5×10-216 197821 4.95×10-6刀刃形- 0.1 5×10-221 240005 6.00×10-6在ANSYS 中建立的几何模型如图2( a) 所示, 计算域展向长度为0. 8mm, 流向长度为4mm, 垂向高度为4mm。
图2( b) ~ 2( f ) 为离散后的CFD 模型, 扇贝形和三角形离散的六面体网格图相似, 在此只列出三角形的CFD 模型, 沟槽表面所划分的网格点数列于表1 中, 刀刃形沟槽表面形状比较特殊, 很难划分六面体网格, 只能划分四面体网格。
2. 2 边界条件流场分析时认为流场稳定, 各参数不随时间变化; 流体为不可压缩流, 密度和黏性等物理性质不随时间变化; 不涉及传热问题; 采用各向异性假设。
用有限体积法求解N-S 方程, 近壁区采用B-L两层湍流模型, 远离壁面区采用雷诺应力湍流模型( RSM) , 边界条件为光滑表面与沟槽表面施加固壁无滑移条件, 即上下壁面X , Y, Z 三个方向速度为零,入口处给定质量流率m = 0. 2 kg/ s, 流向和垂直于流向的方向施加周期边界条件。
计算温度t = 20℃,流体介质为水, 动力黏度μ= 0. 001N×s/ m2, 密度ρ= 998 kg / m, 运动黏度υ= 1×10-6m2 / s, 雷诺数Re= 6.0×105 , 雷诺数计算时取过流断面水力直径为特征长度。
3 三种仿生非光滑沟槽表面流场分析3. 1 剪应力分析计算结果表明三种沟槽表面剪应力均小于光滑表面, 具有减阻效果, 但由于沟槽形状的不同减阻效果不同, 三角形沟槽减阻效果最差, 刀刃形沟槽减阻效果最佳。
图3 沟槽表面应力云图光滑表面单元平均剪应力为1. 2×104 N/ m2。
由沟槽表面剪应力云图3 可以看出三角形沟槽表面最大剪应力为1.07×104 N/ m2 , , 比光滑表面减小10.8%; 扇贝形沟槽表面最大剪应力为5.1×103 N/m2 , 比光滑表面减小57.5% ; 刀刃形沟槽表面最大剪应力为4. 5×103 N/ m2 , 比光滑表面减小62.5% 。
由图3~ 4 可见三种沟槽表面高应力区出现位置及面积不同, 三角形沟槽高应力区起始位置最低并且面积最大, 壁面总阻力最大, 减阻效果最不明显; 刀刃形沟槽高应力区出现在刀刃尖端非常窄的带形区域内, 起始位置最高并且面积最小, 壁面阻力最小, 减阻效果最好。
图5 三种沟槽表面及光滑表面展向及垂向速度矢量图3. 2 速度场分析图5 给出了三角形、扇贝形和刀刃形沟槽表面和光滑表面展向和垂向速度矢量图, 通过对比可见沟槽表面对湍流结构产生影响。
三种沟槽表面流向涡的展向运动都产生分离并生成二次涡, 但是二次涡的位置、近壁区流体上冲和下扫运动的强度不同。
Choi曾指出沟槽减阻与否与沟槽面漩涡有很大关系[ 12]。
三角形沟槽表面二次涡位置最低, 壁面受高强度流体上冲和下扫运动强度最大, 动量传输最强, 故壁面受高应力影响区域的面积最大, 由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最小, 谷底附近流体受壁面阻碍并且安静流区域面积最小, 所以层流底层厚度最小, 壁面总阻力最大, 减阻效果最差。
刀刃形沟槽表面二次涡停留在沟槽尖顶附近, 位置最高, 与壁面相接触的流体运动强度最弱, 壁面几乎不受高强度流体上冲和下扫运动影响, 壁面流体的动量传输较低, 由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最大, 谷底附近安静流体的运动比较自由并且区域最大, 所以层流底层厚度最大, 整个非光滑表面剪应力最低, 总阻力最小, 减阻效果最好。
图6 雷诺剪应力曲线图3. 3 雷诺应力分析由图6 雷诺剪应力曲线可知三种沟槽表面的雷诺应力均小于光滑表面。
光滑表面、三角形、扇贝形和刀刃形沟槽雷诺应力最大值分别为8 m2 /s2、7. 8 m2 / s2、7 m2 / s2和6. 2 m2 / s2。
雷诺应力是横向脉动在剪切场中的体现, 横向脉动体现了平均剪切率产生的流向脉动动能的传递。
故三角形沟槽表面附近横向脉动最大, 对流向脉动动能的传递功能最强,流体对壁面的作用力最大, 壁面摩擦阻力最大, 减阻效果最差; 刀刃形沟槽表面横向脉动最小并且流向脉动动能的传递功能最弱, 流体对壁面的作用力最小,壁面总阻力最小, 减阻效果最好。
3. 4 湍流统计分析图7 为光滑表面与三种沟槽涡量曲线图。
由计算结果可知光滑表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量平均值分别为1. 5 ×1051/ s、3. 8 × 1061/ s 和5 ×1051/ s。
三角形沟槽表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量的最大值分别为1. 25 × 105 1/ s、2. 5 × 1061/ s 和2. 0 × 106 1/ s; 扇贝形沟槽三个方向涡量的最大值分别为1. 05 × 1051/ s、2. 0 × 106 1/ s 和1. 5 × 106 1/ s, 小于三角形沟槽表面上相应涡量值; 刀刃形沟槽三个方向涡量的最大值分别为1.0 × 1051/ s、1. 8 × 106 1/ s和2. 4 × 106 1/ s, 在三种情况下最小。
由此可见三种沟槽表面流向涡量和展向涡量的最大值小于光滑表面附近相应涡量的最大值, 垂向涡量最大值大于光滑表面, 即沟槽抑制流向涡的展向运动。
由于三角形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最大, 与光滑表面相应涡量值的差距最小, 流向和展向涡量被三角形沟槽表面减小的程度最小, 故其对流向涡的展向运动的抑制作用最不明显,对湍流拟序结构的影响程度最差, 减阻率最低[ 13]。
刀刃形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最小, 与光滑表面相应涡量值差距最大, 流向和展向涡量值被刀刃形沟槽表面减小的程度最大,故其对流向涡的展向运动的抑制作用及对湍流拟序结构的影响程度最大, 减阻率最高。
图7 沟槽三个方向涡量图表2 计算结果与实验结果对比表形状光滑表面阻力F S（N）非光滑表面阻力F NS（N）减阻率F NS-F S/F SWALSH BECH ERT三角形0.0378 0.0366 -3.2 -2 -2.5 扇贝形0.0372 0.0338 -9.1 -8 -7刀刃形0.0375 0.0339 -9.7 -9 -8通过分析同一流态中沟槽表面的剪应力、速度场及涡量, 可知三种沟槽表面高应力区起始点位置、区域面积、二次涡位置及流体对壁面上冲和下扫运动强度、层流底层厚度、横向脉动速度、流向涡量和展向涡量的不同, 使沟槽减阻效果不同。
三角形沟槽减阻效果最差, 刀刃形减阻效果最佳。
造成减阻效果不同的主要原因是沟槽形态不同, 对湍流拟序结构的扰动不同。
沟槽顶角越小, 沟槽谷底间距和沟槽表面形状曲线的斜率越大, 则二次涡被抬的越高, 层流底层厚度越大, 沟槽对湍流拟序结构中流向涡的展向涡卷影响越大, 沟槽表面减阻效果越好, 为设计最佳减阻沟槽表面提供依据。
4 计算结果与实验结果对比通过对剪应力进行面积积分得到壁面阻力F 。
WALSH ( 1982) 等的风洞实验[ 11]和BECHERT( 1997) 等的油槽实验[ 8]为沟槽表面流场特性的研究提供了必要的实验基础。
采用与该实验条件相同的计算条件, 通过对比可以看出, 计算结果与实验结果有较好吻合, 在相同的特征尺寸下, 沟槽形状不同导致减阻效果有很大差异。
湍流降组应用实例4.1 沟槽降阻早期,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。
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。
由于在层流流动中未曾发现沟槽的减阻效应,同时,又由于流体输运设备中大多数流体的流动状态为湍流,因此就其根本而言,沟槽面的湍流减阻技术是湍流理论研究的一个重要组成部分。
迄今为止,沟槽面湍流减阻技术仍未成熟,目前还未真正走出实验室。
其应用范围归纳起来主要有三方面:飞行器、流体驱动设备、管道输运系统。
早期见诸报道的是20世纪80年代德国飞机制造商利用带沟槽的飞机机身能使飞机节省燃料8%。
而空中客车公司在A320试验机面积的70%贴上沟槽薄膜,达到了节油1%～2%的效果。