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. 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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 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。
最新流体减阻
一 流体阻力概述
1.1流体阻力 流体阻力是指在流体力学中，流体流过模型所遇到的阻力。
流体阻力的产生归根于流体能量的发散（或称“耗散”）。 能量发散主要通过边界粘性阻力损失、流体微团撞击损பைடு நூலகம் 和流线弯曲的发展形成漩涡等方式产生阻力。
2.2研究现状
五十年代末，Stanford大学利用流场测试的技术 发现在粘性底层的近避区存在着湍流猝发的现象。 该发现引导人们开始采用从改变湍流边界层近壁 去湍流猝发结构的角度来降低流体阻力。
4.2 不同非光滑结构对减阻效果的影响
光面（1），V形（2）， 凹坑（3），凸包（4）， 矩形（5）
4.2.1摩擦阻力系数减阻效果对比
水介质
4.2.2不同沟槽边界层速度对比（m/s)
非光滑结构的速度梯 度分布明显小于光面 结构，说明非光滑结 构边界层内剪切力小 于平板，剪切力使大 尺度涡变小，小尺度 涡消失，从而抑制了 流向涡对在展向集结 低速流体的能力，使 得低俗带缓慢上升， 一方面意味湍流猝发 场所减小，另一方面 流动不稳定性减弱。
突出高度：沟槽尖顶到沟槽 表面对应的等价光滑表面的 距离。
将带有沟槽结构的表面转化 为平板表面，通过复变函数 方法得到沟槽结构表面近壁 区的速度分布，从而确定突 出高度值。表观起点以下沟 槽内的流动绝大部分为粘性 所阻滞，相当于增加边界层 厚度，减小速度梯度。
“突出高度之差”理论
四 非光滑结构减阻效果对比及机理探索
0.436875
沟槽形状对减阻有 明显的影响
4.2.5 V形沟槽内速度对比(m/s)
沟槽湍流边界层内速 速分布在垂直流向的 方向有很大的变化， 其壁面速度梯度在沟 槽尖峰顶部达到最大 ，沟槽底部最小，V槽 中部壁面速度梯度和 沟槽底部均小于光面 结构速度梯度，主要 是受到二次涡的影响， 说明脊状内部剪切力 比光面小，具有减阻 效果。
纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示
纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示杨绍琼;崔宏昭;姜楠【摘要】纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s+在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s+约为17个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性而产生的一种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构.实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2015(047)003【总页数】5页(P529-533)【关键词】湍流边界层;开尔文-亥姆霍兹不稳定性;“类开尔文-亥姆霍兹”涡;沟槽;流动显示【作者】杨绍琼;崔宏昭;姜楠【作者单位】诺丁汉大学工程学院,英国诺丁汉NG7 2RD;天津大学机械工程学院力学系,天津300072;诺丁汉大学工程学院,英国诺丁汉NG7 2RD;天津大学机械工程学院力学系,天津300072;天津市现代工程力学重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】O357.4+1沟槽(riblets)，是指横截面为固定形状的、沿展向周期排列的一系列流向的微小肋条结构.大量研究发现：与光滑壁面湍流边界层相比，它们在一定物理尺寸范围内具有减阻效应；并在其黏性内尺度无量纲参数L+g(展向横截面积的平方根)约为11个黏性长度单位(对应沟槽的脊--脊内尺度无量纲展向间距s+≈17)时达到最优减阻效果；但随着雷诺数的增加，沟槽减阻效应会随之减弱，甚至反而使得壁面摩擦阻力增加，表现出大扰动粗糙元效应[1-2].沟槽壁面湍流边界层减阻的原因，特别是减阻率线性相关于s+的“黏性区”的减阻机理可归纳为沟槽对湍流边界层近壁区(准)流向涡或发卡涡(涡包)结构的有效抑制和重组[3-6]；而对应地，沟槽减阻在达到最优之后表现出大扰动粗糙元效应的原因，已有文献也给出了两种可能解释：(1)沟槽谷内准流向涡与沟槽的相互作用[7]；(2)沟槽脊处二次流向涡的脱落[8].可见沟槽减阻失效,之前文献大都归因于沟槽壁面湍流边界层内的流向涡或准流向涡的行为随沟槽展向尺度的变化.但文献[9]在2011年首次基于其沟槽壁面湍流边界层直接数值模拟数据库的分析，指出限制沟槽减阻效应甚至使阻力增加的原因是一种“类开尔文--亥姆霍兹”不稳定性；这种不稳定性现象在沟槽刚刚达到最优尺寸(s+≈17)时出现；伴随其产生了一种之前未曾被实验观察到的展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构.本文使用烟雾流动显示技术，首次在风洞实验中清晰地观察到这种展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构，并在前期讨论“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象及其原理[10]的基础上，进一步详细描绘这种“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡.实验在英国诺丁汉大学低速回流式风洞中完成. 风洞采用变频调速；其实验段长3m，截面为508mm×508mm八角形；风洞最大稳定风速为10m/s，自由来流背景湍流度约为0.24%.实验室温控为22±0.5°C；环境压强约为0.1012MPa；因此，空气密度ρ和运动黏度ν分别为1.2kg/m3，1.53× 10−5 m2/s.边界层流场在风洞实验段内水平放置的一块长约3m的平板上发展.平板前缘以椭圆半轴长75mm修缘，并在前缘下游100mm处布置高h=10mm，直径为3mm的微小圆柱阵列触发流场提前转捩为湍流.距离板前缘下游约1.5m处嵌入烟雾/粒子播撒器，其高约115mm.而沟槽相邻脊--脊物理间距s，脊--谷高度都为7.2mm；沟槽板截面为三角形，被相邻地嵌入到烟雾/粒子播撒器下游的平板内，即沟槽起点距离平板前缘的流向距离χ=1.7m.通过调节平板的尾翼，经过尾翼前缘近壁区的热线信号及其谱分析确认，得到沟槽壁面处零压力梯度且流动未分离的湍流边界层.使用丹尼尔科技(DANTEC)有限公司54T29型速度测量仪(标定误差为0.02m/s)测量边界层多个自由来流速度U∞，控制其在0.38m/s，0.68～1.62m/s 之间.实验装置及平板布置参数图1给出.对应的边界层流场参数，即摩擦速度uτ≈U∞/22 (经验公式[11])，边界层厚度δ≈0.37χ/Re1/5χ (普朗特近似公式[12])及雷诺数Reτ=uτδ/ν见表1.本文采用烟雾流动显示技术研究上述条件下的沟槽壁面湍流边界层内“类开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象，即“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构[9].实验使用TSI 9307-6型烟雾发生器产生平均直径为1µm的烟雾颗粒作为示踪粒子；使用幻灵(Phantom)牌SpeedSense 9060型高速互补金属氧化物半导体(CMOS)相机(1024×800 pixels)仰视拍摄上述湍流边界层流场的近壁区域；流场被丽创(Litron)牌LDY302型Nd:YLF双腔激光器照亮，激光器最大输出功率为100W，激光波长为527nm，调节片光厚度约为1mm(研究“类开尔文--亥姆霍兹”涡在不同法向位置y的流动情况时，片光厚约2mm).使用丹尼尔科技有限公司同步器同步激光和相机；相机触发频率设置为500Hz(或800Hz)，曝光时间500µs(或1000µs)，且经标定后，相机最大视场约为425mm×260mm(流向×展向；注：下文中边界层流场流向、法向、展向分别用χ,y,z表示).烟雾流动显示实验共分两部分进行.首先，观察平面(或激光平面)平行于沟槽壁面，相机拍摄χ--z面视场.片光恰好相切于沟槽脊峰，即片光中心距离脊峰平面法向位置y约为0.5mm.流向突出高度h pl取0.18s[13]，即片光平面中心位于沟槽流向速度剖面虚拟原点以上1.796mm处.实验记录11个不同雷诺数下的沟槽壁面边界层流场，流场参数及其在减阻曲线上的对应位置分别在前文表1及图2中给出.边界层流场流动显示结果如图3和图4所示，流动方向从左至右.图3给出了y+=2，s+=8.1时χ--z面内沟槽壁面边界层流场结构.有效视场大小χ+--z+:478.1×180.0 (黏性内尺度无量纲).此时沟槽减阻，s+处于减阻曲线的黏性区，沟槽减阻率线性相关于s+，边界层内流场流向涡占主导[9].图示视场上游(黄色矩形区)处呈现有较多流向或准流向涡结构，相互间间距小于s+；中游部分(橙色矩形区)3个发卡涡涡包结构清晰可见，其展向平均间距约为7.5s+(约60个黏性内尺度无量纲单位)，而3个发卡涡涡包相邻涡流向平均距离约为9s+；涡包中各发卡涡在向下游发展演化过程中“长大”并逐渐远离壁面.这一过程可以看作：沟槽作用下，边界层内流场结构由流向涡/准流向涡逐渐发展演化为发卡涡，形成发卡涡包并向外区抬升的湍流边界层发展过程.这也是实验中少有地在沟槽壁面边界层底层内观察到完整清晰的发卡涡/涡包结构[3].图 4显示的是不同雷诺数 (s+)下沟槽壁面边界层χ−z面内流场结构.有效视场χ×z：200mm× 160mm.具体地，s+=14.5时沟槽处于减阻曲线的最优减阻区之前，即线性黏性区，未见较明显的“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构；当17.1≤s+≤34.7时，从减阻曲线可以看出，沟槽尺寸位于最优减阻区和k粗糙元效应区，沟槽减阻效应即将趋弱直至阻力增加，表现出大粗糙元效应[11].图示视场中可以较清晰的观察到“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构.该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构在流场条件(s+)刚刚超出最优减阻区时出现，可能是沟槽减阻达到最优后减阻效应趋弱直到增阻的主要原因.此时，在片光平面内，烟雾粒子跟随该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡运动，形成黑白相间的展向可视涡：黑色较暗处粒子法向速度垂直于片光平面向里亦或向外；白色较亮处的粒子因涡心(核)旋转聚集，整体表现为“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡棍结构.它们与文献[9]图14(b)中直接数值模拟展向涡棍结构相同.为了研究“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构在不同法向位置y处的流动情况，第2部分选取 s+= 31.7重复沟槽壁面湍流边界层流场烟雾流动显示实验.但相机拍摄频率设置为800Hz，曝光时间为1000µs，内尺度无量纲化后的有效视场大小χ+×z+: 1191.7×585.0.流动显示结果如图5所示.在最近壁区，y+=10.1及14.5处，“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构二维性更好，其平均流向波长40≤≤90，相邻典型展向涡之间的流向距离150≤≤200;平均展向波长≥100，这些参数与文献[9]的直接数值模拟结果基本一致.另外，有趣地，该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构表现出准三维性：随着观察(激光)平面逐渐远离壁面，视场内该展向涡沿流向被拉伸，相邻展向涡之间出现连接两者的类似混合层中相邻展向涡之间的流向涡或准流向涡结构[13]，且此时该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡数量趋少，尺度趋大，二维性趋弱，准三维性明显变强；但y+继续增加后少有“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡出现.文献[9]的直接数值模拟数据表明边界层流场中，沟槽湍流减阻效应趋弱直至阻力增加的原因可能是“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象的出现.本文使用烟雾流动显示技术，首次通过风洞实验显示了由于“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性的出现，使得沟槽边界层时--空平均流向速度剖面出现拐点而形成的展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构，并给出沟槽壁面湍流边界层内“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构模型示意图(图6)及以下结论：(1)当沟槽脊--脊间距s+位于减阻曲线的线性黏性区时，边界层亚层内的流向涡及准流向涡随时间发展形成发卡涡及发卡涡涡包结构；(2)在s+刚刚超出最优减阻区时，流动因“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性失稳，形成“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构；(3)典型的“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡其流向波长40≤∆≤90，展向波长≥100；流向相邻展向涡之间的距离150≤∆≤200，这些参数与文献[8]的直接数值模拟结果基本一致；(4)“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡主要出现在沟槽壁面边界层y+≈26以内.致谢感谢英国诺丁汉大学传热及流体力学实验室减阻与流动控制组(Thermo and Fluid Mechanics—Drag Reduction and Flow Control Group)费尔·巴里(FaycalBahri)对本文的指导和帮助；感谢刘建华，吴云，宋龙飞，巴索·阿莱西奥(Basso A lessio),基奥瓦克·诺拉(Rkiouak Noura),菲利普·科恩(Phillip Cohen)在实验过程中给予的建议和协助.Received 24 January 2015,accepted 12 February 2015,availableonline16 February 2015.1)The projectwassupported by the NationalNaturalScience Foundation of China(11272233,11332006,and 11411130150),the Foundation from the China Scholarship Council(CSC)(201306250092)and the Foundation Project for Outstanding DoctoralDissertationsof Tianjin University.2)Yang Shaoqiong,PhD candidate,research interests:experimentalstudy on the passive controlofwall-bounded turbulenceand itsstructures. E-mail:******************.cn【相关文献】1 Brian D,BharatB.湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展.力学进展,2012,42(6):821-836(Brian Dean,BharatBhushan.Shark skin surfaces for fluid-dra reduction in turbulent fl w:A review. Advances in Mechanics,2012,42(6):821-836(in Chinese))2 BechertDW,BruseM,HageW,etal.Experimentson drag-reducing surfacesand theiroptim izationw ithanadjustablegeometry.Journal ofFluid Mechanics,1997,338:59-873 Choi KS.Near-wall structure of a turbulentboundary layerw ith riblets.JournalofFluid Mechanics,1989,208(1):417-4584王晋军，兰世隆，陈光.沟槽面湍流边界层结构实验研究.力学学报,2000,32(5):621-626(Wang Jinjun,Lan Shilong,Chen Guang. Experimentalstudy on the turbulentboundary layer fl w over riblets surface.Acta Mechanica Sinica,2000,32(5):621-626(in Chinese))5李山，杨绍琼，姜楠.沟槽面湍流边界层减阻的TRPIV测量.力学学报,2013,45(2):183-192(Li Shan,Yang Shaoqiong,Jiang Nan. TRPIV measurement of drag-reduction in the turbulent boundary layerover ribletsplate.Chinese JournalofTheoreticaland Applied Mechanics,2013,45(2):183-192(in Chinese))6 Yang Shaoqiong,Li Shan,Tian Haiping etal.Coherent spanw ise structures in turbulentboundary layer over drag-reducing riblets[J]. Transactionsof Tianjin University,DOI10.1007/s12209-015-2526-57 Choi H,Moin P,Kim J.Direct numerical simulation of turbulent fl w overriblets.JournalofFluid Mechanics,1993,255:503-5398 Goldstein DB,Tuan TC.Secondary fl w induced by riblets.Journal ofFluid Mechanics,1998,363:115-1519 Garc´ıa-Mayoral R,Jim´enez J.Hydrodynam ic stability and breakdown of the viscous regime over riblets.Journal ofFluid Mechanics,2011,678:317-34710杨绍琼，姜楠.奇妙的“波浪云”——浅谈开尔文--亥姆霍兹不稳定性现象.力学与实践,2014(06):802-805(Yang Shaoqiong,Jiang Nan.On Kelvin-Helmholtz instability in wave clouds.Mechanics in Engineering,2014(06):802-805(in Chinese))11 Jim´enez J.Turbulentfl wsover roughwalls.Annu alReview ofFluidMechanics,2004,36(1):173-19612 White FM.Fluidmechanics.Seventh Edition.New York:M cGraw-HillCompanies,Inc,2011:51313 Bechert DW,Bartenwerfer M.The viscous fl w on surfaces w ith longitudinalribs.JournalofFluid Mechanics,1989,206:105-12914张洪泉.混合层中的流向涡与Rayleigh离心不稳定.力学学报, 1997,29(2):129-135(Zhang Hongquan.Streamwise vortices in a planem ixing layer and Rayleigh’s centrifugal instability.Acta Mechanica Sinica,1997,29(2):129-135(in Chinese))。
槽道内聚合物减阻流动对数层湍流结构的影响
((在黏弹性聚合物和表面活性剂减阻的研究中 得到的减阻率已经高力,%?#- & 大量研究表明%减阻状 态下的湍流存在许多不同于牛顿流体湍流的特征
收稿日期! #$%&?$"?%! 通讯作者简介!付在国"%)&!#$ %男%博士%副教授& 主要研究方向为湍流减阻控制%非牛顿流体流动与传热传
本研究针对槽道内聚合物减阻流动%采用粒 子 成 像 测 速 技 术 " 5&$1,4'/<@&+/7/'"4,@/1$2% 5<7$ %对位于流 动 中 对 数 层 内 多 个 位 置 的 流 向 " M方向$ .垂直 壁 面 方 向 " .方 向$ 与 展 向 " U方 向$的 ! 个速度分量进行测试%并基于测试结果 进行统计分析%讨论在黏弹性聚合物添加剂的
第 !" 卷第 ! 期
上海电力学院学报
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减阻剂研究概述
1971年，Brood进行了高腊原油的输送实验，当 加入减阻剂时，使输量增加了，同时对原油质量 无影响。
1974年，Marlin等用乳液聚合聚合法合成了聚对 烷基苯乙烯、聚甲基丙烯酸异癸酯、聚甲基丙烯 酸异辛酯等，是较有效的减阻剂，他们在原油中 的溶解性好，抗剪切好，尤其以聚甲基丙烯酸异 癸酯更好。
根据减阻剂的作用机理我们知道减 阻效果是减阻剂的粘弹性同流体之间相 互作用的结果，所以一切影响高聚物粘 弹性的链结构和聚集态结构都会影响减 阻性能。
到正题了，其实很EASY
1. 分子量
高分子的分子量是影响减阻性能的基 本参数之一，高聚物必须超过一定的分 子量以后才具有减阻作用。其减阻效率 开始随分子量增加很快，随后达到平衡。
同年，成都科技大学研制出主要成分为 聚甲基丙烯酸高级酯的减阻剂，减阻效 果达31%。
1985年，浙江大学又研制出ɑ-烯烃与乙 烯共聚的另一类减阻剂，减阻效果又有 所提高。
但以上成果都是实验室合成的结果， 目前我国工业用减阻剂大都依赖进口， 所以大力扩展减阻剂研究工作并实现 减阻剂国产化有着巨大的经济效益和 社会效益。
特别是聚辛、十烯，我认为有必要对硅 氧烷与碳八烯的共聚物进行研究，从理 论上它们的共聚物应该具有较好的抗剪 切性和柔顺性。
如果减阻剂的分子量增大将回降
问题 低抗剪切性，WHY？
二. 聚合方法的选择
可采用溶液聚合或本体聚合。溶液聚合的 优点是体系黏度低反应产生的热易于散发， 并且聚合物分子量分布均匀。本体聚合的 优点是聚合物分子量高但分布不均，最大 缺点是反应温度难以控制。目前大多采用 溶液聚合法。
表面活性剂湍流减阻研究进展
CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第6期·1660·化工进展表面活性剂湍流减阻研究进展魏进家，黄崇海，徐娜（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049）摘要：表面活性剂较高分子聚合物在流体管道输运中具有可逆机械降解特性的优点，更适用于存在高剪切的场合以及封闭的循环回路进行减阻，但存在对其复杂流变特性及减阻机理认识不完善的问题，使得其在减阻领域的应用受到了限制。
本文回顾了作者近年来在表面活性剂溶液微观结构、复杂流变学特性、湍流结构以及其与减阻和传热性能之间的内在联系方面的研究进展；介绍了表面活性剂减阻和壁面微沟槽协同作用减阻的研究成果；指出通过拉伸流的方式能够在压损较小的情况下更有效地提高表面活性剂溶液的传热性能。
针对表面活性剂现有研究的不足，本文提出4条建议作为表面活性剂的未来研究方向，分别为开发环境友好型高效表面活性减阻剂、强化换热装置的优化设计及优化布置、表面活性剂与其他减阻方式耦合特性的深入研究以及表面活性剂在尺度放大、防腐和减阻持久性方面的实际工业应用研究。
关键词：表面活性剂；湍流；流变学；传热中图分类号：TE08；TV131 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）06–1660–16DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.007Research progress concerning turbulent drag reduction of surfactantsolutionWEI Jinjia，HUANG Chonghai，XU Na（State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）Abstract：In turbulent flow drag reduction applications，surfactant additive is more applicable than polymer for the flow with high shear or in the closed circulation system due to its reversible mechanical degradation advantage. However，there is not enough understanding of the complicated rheology and drag-reduction mechanism of surfactant solution，limiting its practical application in the drag reduction field. This review introduces the research progress of surfactant drag reduction conducted by the authors in recent years on microstructure，complicated rheology characteristics，turbulent structure，as well as their relations with drag reduction and heat transfer，and analyzes the combined drag reduction effect of surfactant additives in the flow and microgroove fabricated on the wall. The stretch devices can significantly improve the heat transfer performance of surfactant drag-reducing flow with a lower pressure loss penalty. To the shortages of present surfactant drag reduction research，several suggestions are given for the future study. The first is to develop environmentally friendly and effective surfactant，the second is optimal design and layout of heat transfer enhancement device for drag-reducing flow，the third is the study on synergetic effect of drag收稿日期：2016-01-15；修改稿日期：2016-02-15。
沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究
沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究王鑫;李山;唐湛棋;姜楠【摘要】Coherent structure is closely related to the high frictional resistance in wall turbu-lence.Summarizing the influence rule of vertical micro-grooves on spanwise vortex is helpful for understanding the drag reduction mechanism by riblet surface.15998 instantaneous velocity fields over both riblet(s+=2h+=1 6.3)and smooth surfaces in turbulent boundary layers (TBL)at a Reynolds number of R eτ=190 were acquired by using time-resolved particle image velocimetry (TRPIV)in a water tunnel.The swirling strengthλciwas used to reveal spanwise vortices,and we extracted the cores of spanwise vortices by finding swirling strength's local extremum in whole field.Subsequently,the proportion of the spanwise vortex,the average swirl strength,the average diameter of the vortex and the proportion of the each scale vortex were analyzed statisti-cally in flow field over riblet surface.All experimental results were compared with those over a smooth surface.It is found that (1)the number of prograde spanwise vortices is decreased by riblet in near wall region,while retrograde spanwise vortices'number is increased.(2)The aver-age strength of the spanwise vortex is decreased,whether prograde vortex or retrograde vortex. (3)The proportion of small scale prograde vortices and mesoscale retrograde vortices is increased in near wall region,while mesoscale prograde vortices and large scale retrograde vortices'pro-portion is decreased.(4)The difference in stream-normal scale of the progradespanwise vortex becomes smaller in inner boundary,but the retrograde spanwise vortex's scale difference without change.(5)The proportion of small scale prograde vortices is decreased in log-law region,while the proportion of large scale prograde vortices is increased.Impact on the proportion of retro-grade vortices is exactly opposite of the prograde vortex.%壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关,研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律,有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理.在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中(R eτ=190),采用高时间分辨率粒子图像测速技术,测量光滑平板和沟槽板(s+=2h+=16.3)湍流边界层,分别获得了15998个瞬时速度矢量场.使用λci识别展向涡,比较了 2 种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例.结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小,逆向涡的数量增大,并削弱了展向涡的强度;沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加,中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小,使得近壁区顺向涡的尺度差异变小,对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响;沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例,并增大了大尺度顺向涡的数量比例,对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2018(032)001【总页数】9页(P55-63)【关键词】沟槽;湍流边界层;发卡涡;展向涡;顺向涡;逆向涡【作者】王鑫;李山;唐湛棋;姜楠【作者单位】天津大学机械工程学院,天津 300354;天津大学机械工程学院,天津300354;天津大学机械工程学院,天津 300354;天津大学机械工程学院,天津300354;天津市现代工程力学重点实验室,天津 300350【正文语种】中文【中图分类】O357.50 引言相干结构在壁湍流的产生、维持和演化发展中起着重要作用，它与壁湍流产生的高摩擦阻力密切相关[1-2]，因此如何控制相干结构是湍流减阻的核心问题，也成为近年来的研究热点[3]。
飞行器主要减阻措施机理及其应用效果-力学论文-物理论文
飞行器主要减阻措施机理及其应用效果-力学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：针对阻力过大给飞行器带来的设计难度和使用成本问题，调研了当前主要减阻措施及其应用效果。
结果表明，在减小激波阻力方面，主要将强激波变成弱激波系，或者优化压力分布，使总压差阻力最小；在减小摩擦阻力方面，在层流区通过维持最大表面积的顺压梯度延迟转捩，而在湍流区通过改变表面几何形态或者在流体中添加大分子物质，减弱湍流强度，为低阻力气动外形设计方法的建立和发展提供了参考。
关键词：减阻; 激波阻力; 摩擦阻力; 等离子体; 零质量射流; 吹吸气; 鼓包; 多孔压力腔; 涡流发生器; 涂层减阻;Abstract：For the excessive drag problem which usually enlarges the design difficulty and cost of use, the flow mechanism effectiveness of drag reduction techniques has been investigated and analyzed, as well as its current effectiveness. The result shows that, the active and passive flow control techniques access the shock drag reduction though wakening the an strong shock to multi-wake shocks or reconstructing the an optimal pressure distribution, and access the fraction drag reduction by enlarging of the laminar region by favorable pressure gradient on laminar flow region and decreasing the strength of turbulence by changing the solid wall micro scale construction or adding large scale molecule to boundary. The flow mechanism can provide references for low drag aerodynamic design method construction.Keyword：drag reduction; shock wave drag; friction drag; plasma; zero-mass flux jet; push-pull airflow; bump; poros pressure chamber; vortex generator; coating drag reduction;1、引言减阻一直是航空航天领域关注的焦点，定型、批产、运营装备的各类航空运输飞机、战斗机、高空飞艇以及导弹的外形，一般都是当时技术能力下能达到阻力最小外形，飞行器的更新换代都会尽量吸收减阻技术的新成果，对外形进行持续的优化改进。
凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究
凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究摘要：本文基于凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究，分析了凹坑表面形貌对面接触润滑状态下的润滑性能的影响。
通过对不同形状、密度的凹坑表面形貌的实验研究，得出了一些规律性结论，并提出了相应的优化建议，为减小摩擦阻力、提高机械效率提供了方向性指导。
关键词：凹坑表面形貌；面接触润滑；减阻研究；优化建议Introduction在工程实践中，润滑是非常重要的技术手段，它能够有效减少摩擦和磨损，提高机械效率，延长使用寿命。
而面接触润滑作为润滑技术的一个重要分支，在工业生产中得到了广泛应用。
在此基础上，研究润滑状态下的凹坑表面形貌对减阻效果的影响，有助于提高面接触润滑的润滑效果。
Experimental Method本文通过实验研究的方法，对不同形状、密度的凹坑表面形貌在各种润滑状态下的润滑性能进行了测试。
实验应该严格按照标准程序进行，并对数据分析与处理进行尽可能详细的阐述。
Results实验结果表明，在面接触润滑状态下，凹坑表面形貌的形状和密度对其减阻效果有显著影响。
在相同润滑条件下，密度越大的凹坑表面形貌减阻效果越好，而不同形状的凹坑表面形貌则具有不同的减阻效果。
例如，锥形凹坑表面形貌的减阻效果最好，椭圆形凹坑表面形貌次之，而圆形凹坑表面形貌的减阻效果最差。
Conclusion本文通过实验研究的方法，分析了凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究。
实验结果表明，凹坑表面形貌的形状和密度对润滑性能有显著影响。
在此基础上，提出了一些优化建议，旨在进一步提高润滑性能，减小摩擦阻力，提高机械效率。
Optimization Suggestions在本文中，我们通过实验研究证明了凹坑表面形貌在面接触润滑状态下对润滑性能的影响。
基于实验结果，我们提出以下优化建议：1. 在设计机械的润滑系统时，应考虑采用高密度的凹坑表面形貌，以提高润滑性能。
2. 若在机械中采用椭圆形或圆形凹坑表面形貌，可采取增加面接触润滑润滑剂保证减阻效果，也可考虑研发新型润滑剂以提高减阻效果。
船体流动减阻方法研究综述
船体流动减阻方法研究综述作者：张弛刘林来源：《科技创新与应用》2014年第26期摘要：近年来，关于船体减阻的实验和研究比较多，取得了许多相关的资料和数据。
在目前湍流理论有了相当的发展之后，我们对原理的研究有了一些进步。
目前在减阻的方式上，人们已经发明了肋条减阻（沟槽法）、聚合物添加剂减阻法、柔顺壁减阻法、气泡减阻法、仿生减阻法、壁面振动减阻法、超疏水表面减阻法等。
文中将就上述减阻方法的原理做一个简要的介绍。
关键词：流体；阻力；船体减阻1 柔壁减阻法上世纪60年代，科学家们发现“人造海豚皮”的减阻效果，柔壁减阻开始得到人们的重视。
柔壁减阻法的一般做法是在固体壁面上覆盖上泡沫塑料，往固体内部水或油等液体后，在外面蒙一层不渗透或者半渗透性的薄膜，这样泡沫塑料就能产生一定弹性。
柔顺壁的作用使粘性底层变厚，边界层上流速梯度减小，就此减小了边界面上剪力，同时也减小了因剪力做功而发散的能量，实现了减阻。
在雷诺数较大的环境下，粘性作用在边界层内。
所以减阻的关键在于如何使边界层平顺流动减少损失。
由于海豚皮肤有很好的弹性，可以随水流呈波浪状起伏，形成了柔顺壁。
水流原本就是一种湍流运动，综合海豚表皮的扰流运动，很容易在表皮边界层内产生扰流，由此产生的紊流，增加了游动摩擦阻力。
而当扰流发生在边界层内时，海豚的皮肤产生的波动，抵消了扰流并减少了晃动，延迟了边界层的转捩，以此保持边界层层流的流动。
当我们从边界层稳定性因素考虑时，可以更加深入的了解减阻的机理。
影响层流运动稳定性的主要因素包括壁面粗糙度和来流紊流度。
壁面的粗糙增加了对流动的扰动，合理的利用该扰动有很好的减阻效果。
目前对柔顺壁减阻相对一致的观点是，壁面压力梯度缓解了压力释放，因此造成边界层层流向湍流转捩的后移。
海豚表皮的“非光滑”柔顺壁可顺应水流而流动，减少湍流流动，延迟边界层转捩，增加边界层稳定性，因此能够高效降低其在水中的阻力。
2 沟槽减阻法上世纪70年代，兰利研究中心发现，顺流向微小肋条的表面能有效降低壁面摩阻。
放置翼型的槽道湍流的实验研究
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任 何 特征最 终 均 是 由其 输 运 过 程 决 定 的 ， 因此 研
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湍 流是经 典力 学 中仅 有 的几个 尚未 解 决 的问
压 梯 度 有 关 。相 关 的 研 究 最 早 出现 在 １ ５ ９ ０年 代ｌ ， １ 此后 Ｓ ａａｔ Ｗａｍｕｆ ］ 行 了详 细 的综 Ｊ ｐ ｌｒ ＆ ｔ ｆ２ ＿进