一种新型边界层控制技术应用于湍流减阻的实验研究

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湍流边界层中涡流的形成与分析

湍流边界层中涡流的形成与分析引言湍流是一种无序的、随机的涡动流动，广泛存在于自然界和工程实践中。

湍流边界层是指在固体表面附近的一层流体，其流动状态复杂且具有湍流特征。

在湍流边界层中，涡流是一种重要的湍流结构，对流动的传热和传质起到重要作用。

本文将探讨湍流边界层中涡流的形成和分析方法，并对其在工程实践中的应用进行探讨。

湍流边界层和涡流的基本概念湍流边界层是指在流体靠近固体表面时流动状态复杂且具有湍流特征的一层流体。

在湍流边界层中，由于速度剖面的不均匀性和湍流运动的复杂性，会形成各种尺度的涡旋结构，即涡流。

涡流是湍流的基本组成部分，是湍流中流动能量传递的重要媒介。

涡流可以分为大尺度涡和小尺度涡。

大尺度涡是指具有较大空间尺度和较长寿命的涡流结构，通常由较大的速度湍动引起。

小尺度涡是指具有较小空间尺度和较短寿命的涡流结构，通常由较小的速度湍动引起。

湍流边界层中涡流的形成机制湍流边界层中涡流的形成机制非常复杂，涉及流体力学、热传导、空气动力学等多个学科的知识。

以下将从不同角度分析湍流边界层中涡流的形成机制。

Reynold应力和速度剖面不均匀性在湍流边界层中，涡流的形成与Reynold应力和速度剖面的不均匀性密切相关。

Reynold应力是指涡流对流体施加的平均应力，它是湍流产生和演化的基本机制之一。

当速度剖面不均匀时，不同速度的流体层之间会形成速度剖面梯度，使得湍流产生。

湍流能量级联和涡结构形成湍流边界层中的涡流结构形成是一个能量级联的过程。

能量在不同尺度涡流间传递并逐渐减小，在这个过程中较小尺度的湍流会转化为较大尺度的湍流。

这种级联过程导致涡流结构的形成。

边界层不稳定性和涡的起伏形成湍流边界层中的涡流结构形成还与边界层的不稳定性密切相关。

边界层的不稳定性是指边界层流动由于各种原因而发生波动和波动机制，形成边界层中的涡旋结构。

涡的起伏形成是边界层不稳定性的结果。

湍流边界层中涡流的分析方法湍流边界层中涡流的分析方法包括实验方法和数值模拟方法。

湍流边界层中马蹄涡的实验研究

湍流边界层中马蹄涡的实验研究湍流边界层是流体动力学中的重要组成部分，它在流体操作中起着重要的作用，故而湍流边界层的研究也是流体动力学的主要研究方向之一。

此外，湍流边界层也是气象学、环境气象学等学科的重要组成部分，它可以提供关于气象参数、风能资源分布以及控制等方面的机会。

什么是马蹄涡马蹄涡是湍流边界层中最主要的结构之一，由一系列由一系列沿流向排列的环形流动组成。

它们由一系列对流循环组成，产生了相当强烈的轴向流动。

流动大小及其特性受气流特性影响，通常与湍流边界层深度有关。

实验目的基于以上介绍，本实验的目的是潜在的基于实验来研究马蹄涡的特性。

主要的目标是研究不同参数（如湍流边界层深度，流速，温度，etc）对于马蹄涡的影响。

此外，研究人员还希望能更好的了解和模拟马蹄涡的流动特性，以及提取其特征来预测湍流边界层深度。

实验方案首先，为了实现实验目标，研究人员首先采用显示技术进行马蹄涡的实验研究，这种技术能够使得研究人员能够直接观测流体的运动，从而更好的研究马蹄涡的特性。

此外，还使用了数值模拟技术，以及动画技术和计算机仿真技术，来模拟不同参数下流体的流动特性。

实验结果在本实验中，研究人员得出了许多结果。

首先，当湍流边界层深度增加时，马蹄涡将会变得更加集中，并且变大，这将导致轴向流动增加，而且可以更加清楚地认识到马蹄涡特征。

此外，流体的流速和温度也会对马蹄涡的强度、大小和分布范围产生影响。

结论本实验表明，湍流边界层中的马蹄涡受到温度、流速和湍流边界层深度等参数的影响，其特征随着这些参数的变化而变化。

此外，本实验也表明，通过实验数据和计算模拟技术，可以更好地理解马蹄涡的流动特性，从而更准确地预测湍流边界层深度。

总结本文首先简要介绍了湍流边界层和马蹄涡的基础知识，然后介绍了基于实验研究马蹄涡特性的实验方案，并介绍了实验结果和结论。

本实验表明，由于温度、流速和湍流边界层深度等参数的影响，马蹄涡的特征会随着这些参数的变化而变化，因此，可以通过实验数据和计算模拟技术来更准确地预测湍流边界层深度。

激波-湍流边界层干扰问题的高精度方法及其数值模拟

激波-湍流边界层干扰问题的高精度方法及其数值模拟激波-湍流边界层干扰问题是流体力学中的重要问题之一。

在高速飞行器、燃烧室、涡轮机等领域中，激波与边界层相互作用会产生湍流现象，对气动性能和传热特性有着重要影响。

因此，深入研究激波-湍流边界层干扰问题具有理论和实际意义。

在传统的研究中，由于边界层和激波的复杂性，通常采用经验模型和亚格子模型，其精度受到限制。

然而，随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展，高精度的数值方法逐渐应用到激波-湍流边界层干扰问题的研究中。

高精度方法主要包括数值方法和数学模型两个方面。

在数值方法方面，通常采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，简称CFD）方法进行数值模拟。

CFD方法基于流体力学方程组和边界条件，通过数值离散和迭代求解，可以获得流动的详细信息。

在激波-湍流边界层干扰问题中，通常采用Navier-Stokes方程组和湍流模型进行求解。

其中，Navier-Stokes方程组描述了流体的守恒性和运动性，湍流模型用于描述湍流的产生和发展过程。

在数值模拟中，需要采用适当的数学模型来描述边界层和激波的相互作用。

常用的数学模型包括黏性镜像模型、湍流模型和壁函数模型等。

黏性镜像模型通过引入一个特殊的镜像黏性来模拟湍流现象，使得边界层内外的流动相互作用得以考虑。

湍流模型则用于描述湍流的产生和发展过程，包括雷诺平均湍流模型（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，简称RANS）和大涡模拟（Large Eddy Simulation，简称LES）等。

壁函数模型则用于近壁区域的流动计算，通过将湍流边界层分解为无黏流动和壁摩擦通量来处理。

除了数学模型，还需要考虑网格划分和边界条件的问题。

在激波-湍流边界层干扰问题中，由于流动场的复杂性，通常需要采用非结构化网格进行模拟，以获得更高的精度。

同时，边界条件的设置也对数值模拟的精度有着重要影响。

湍流减阻技术综述

湍流减阻技术综述作者：孙怡馨来源：《中国科技纵横》2018年第03期摘要：当前湍流边界层减阻技术受到广泛关注，本文针对肋条减阻、聚合物添加剂减阻、壁面振动减阻三种湍流减阻技术进行了综述，内容涉及来源、减阻机理、影响减阻因素及工程应用，同时分析了三种减阻技术的局限性。

此外，对其他减阻技术和联合减阻技术也进行了介绍。

关键词：湍流边界层；减阻；减阻机理中图分类号：V211.19 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0040-02随着能源消耗的不断增加，如何有效地节约能源成为人们追求的目标，解决这类问题的途径之一是在流体机械表面尽量减小壁面摩擦阻力。

在水下运动的潜艇摩擦阻力可达总阻力的70%；在管道运输领域流体运动的阻力几乎全是表面摩擦阻力，由于这些流体机械所处的流动状态大部分为湍流，因此针对湍流减阻技术的研究意义重大，20世纪70年代阿拉伯石油禁运危机导致的原油价格上涨更是激起了人们对湍流减阻技术研究的热潮。

经过40多年的发展，特别是湍流理论的丰富和完善，使得人们对于湍流减阻机理有了更为清晰的认识，部分减阻技术也进入了实际的工程应用阶段，取得了较好的经济效益。

本文主要针对肋条减阻技术、聚合物添加剂减阻技术、壁面振动减阻技术以及其他减阻技术的研究进展进行介绍。

1 肋条减阻技术20世纪60年代之前研究人员普遍认为物体表面越光滑，其阻力越小，因此针对减阻的研究工作还集中在如何减少接触面粗糙程度上。

20世纪70年代美国NASA兰利研究中心发现，在光滑表面加工顺流向的微小沟槽（肋条）能有效地降低壁面摩擦阻力，研究人员将这种减阻技术称为肋条（Riblet）减阻技术。

这一发现彻底打破了过去的思维方式，肋条的形状、高度、间距与减阻效果的关系成为新的研究对象。

壁面附近流向涡的展向运动是导致阻力的主要原因之一，肋条可以有效抑制流向涡的生成，从而形成减阻效果。

肋条形状不同，其减阻效果也有较大区别，最常研究的肋条结构主要有三角形（V形）肋条，扇贝形（U形）肋条、梯形肋条和刀刃形肋条[1]。

基于浮动单元的湍流边界层摩擦阻力测量方法

文章标题：基于浮动单元的湍流边界层摩擦阻力测量方法探究随着科学技术的不断发展，对于流体力学领域的研究也日益深入。其中，湍流边界层摩擦阻力的测量方法一直备受关注。在这篇文章中，我们将探讨基于浮动单元的湍流边界层摩擦阻力测量方法，并对其深度和广度进行全面评估。

1. 简介湍流边界层摩擦阻力是指在流体内部，由于流速梯度引起的接触面上的阻力。而基于浮动单元的测量方法则是一种非常有效且广泛应用的方法，其原理是通过在流体中放置特定形状和尺寸的浮动单元，通过对浮动单元的监测，来间接测量湍流边界层摩擦阻力。这种方法不仅可以减小实验装置的尺寸，还可以提高测量的准确性和灵活性。

2. 方法详解基于浮动单元的湍流边界层摩擦阻力测量方法的具体步骤如下：（1）确定实验参数：首先需要确定实验的流速范围、流体性质等参数。（2）选择浮动单元：根据实验需要，选择合适的浮动单元，通常是一些特殊形状的物体，比如球体、圆柱体等。（3）实验测试：将选定的浮动单元置于流体中，通过流场测量仪器对浮动单元的运动状态进行监测，进而得到流体的速度、压力等参数。（4）数据分析：通过对测得的数据进行分析处理，计算出湍流边界层摩擦阻力的大小。 3. 深度探讨在进行基于浮动单元的湍流边界层摩擦阻力测量时，需要考虑的因素有很多。首先是浮动单元的选择，不同形状和尺寸的浮动单元对最终的测量结果会有不同的影响。其次是实验装置的设计和流场测量仪器的选取，这些都会对实验结果产生一定的影响。在进行实验前，需要对实验条件进行充分的分析和考虑，以保证实验结果的准确性和可靠性。

4. 个人观点在我看来，基于浮动单元的湍流边界层摩擦阻力测量方法是一种非常有前景的测量方法。通过对浮动单元的监测，可以间接地获得湍流边界层摩擦阻力的大小，不仅可以减小实验装置的尺寸和成本，还可以提高测量的准确性和灵活性。然而，这种方法也面临着一些挑战，比如浮动单元的选择和实验条件的控制，这些都需要更深入的研究和探讨。

流体力学中的湍流边界层

流体力学中的湍流边界层湍流边界层是流体力学中一个重要的概念，它在流体流动中起着至关重要的作用。

湍流边界层是指流体在固体边界附近出现湍动现象的一层区域。

在此，将介绍湍流边界层的基本概念、特点以及其在流体力学中的应用。

一、湍流边界层的基本概念湍流边界层是指流体在与固体表面接触的区域内，由于流体的湍动而形成的一层动量和能量传输较强的流动层。

湍流边界层的出现与流体黏性有关，主要包括两个区域：靠近固体表面的黏性子层和较远离固体表面的湍动子层。

1. 黏性子层黏性子层位于流体与固体表面直接接触的区域，特点是流速变化缓慢、剪切应力主导、湍动强度较弱。

黏性子层的厚度与黏性流体性质相关，黏性较小的流体黏性子层厚度较大。

2. 湍动子层湍动子层位于黏性子层之上，主要特点是流速变化剧烈、湍动强度较大。

湍动子层中的湍流涡旋互相交错、不断破裂与重组，形成了湍流边界层内的流动。

二、湍流边界层的特点湍流边界层在流体力学中有以下几个显著的特点：1. 局部流速变化剧烈湍流边界层中的流速变化剧烈，流速的横向分布呈现出复杂的涡旋结构。

这种流速变化的不规则性使得湍流边界层内的流动难以预测和描述。

2. 高湍动强度湍流边界层内湍动强度较大，湍流涡旋的大小和速度均较黏性子层中的流动要大得多。

湍动的存在导致湍流边界层内的流体混合和动量传输增强。

3. 二次流现象与涡旋结构湍流边界层中的流动往往伴随着二次流现象和复杂的涡旋结构。

二次流现象是指流体在边界层中沿壁面方向发生的流动，而涡旋结构则表现为湍流涡旋的大小、密度和分布等特性。

三、湍流边界层在流体力学中的应用湍流边界层在许多工程和科学应用中起着重要作用，下面介绍其中几个常见的应用。

1. 阻力与摩擦系数计算湍流边界层的存在会导致流体流动阻力的增加，因此在设计和计算中需要考虑湍流边界层对阻力的影响。

摩擦系数是评估湍流边界层影响的一个重要参数，它描述了湍流边界层相对黏性子层的流动速度与剪切应力之间的关系。

水下湍流减阻途径分析_胡海豹

δuτ υ
.这
一
区域为
黏性
顶层 (或称间歇湍流层 ), 黏性顶层是从边界层中的
湍流到外部非湍流的过渡层 .该层中由于湍流脉动
引起外部非湍流不断进入边界层而发生相互混杂 ,
使湍流强度显著削弱 , 加上湍流脉动的随机性变化 ,
导致在同一空间点上的流体质点有时是湍流流动有
时又是非湍流流动 .
1.2 近壁区湍流猝发过程
第 6期
胡海豹 , 等 :水下湍流减阻途径分析
6 21
流流动至今 , 人类一直未能完全认识湍流的物理本质 , 建立起 1套完善的湍流数学模型 .与层流流动不同 , 湍流流动中的流场参数均随时间而发生随机的不规则脉动 (如图 1为作者在一小型低速风洞中测
Fig.1 Instantaneousvelocityfluctuation ofsteadyturbulence
层称为黏性底层 , 该层内切应力主要为黏性应力 , 该
层内流速分布服从线性分布 . (2)5 ～ 10 <y+≤30 ～ 70.该区域称为过渡层 ,
是黏性底层到对数律层之间的缓冲层 .该层是湍流
能量产生和耗散的最重要区域 , 但不是从层流到湍
流的过渡区 .在该区域中流动的动量输运过程从黏
性力占势过渡到对流过程占优势 .目前该区的流速
结束了有秩序的振荡 , 如图 6所示 .
第 30卷
Fig.3 Thelow-speedstreaksshowingwith hydrogenbubbletechnique
图 3 氢气泡试验中显示的低速流带
(2)低速流带上升阶段 .在 y+不大于 10的区域内 , 低速流带经一段路程的缓慢顺流而下后 , 开始离开壁面上升 ;当达到离壁面一定高度 (y+约为 10) 时 , 突然急剧上升 , 同时向下游运动 .由于这一过程将低动量流体带离了壁面 , 因此在瞬时速度分布曲线上便形成 1个带拐折的凹坑 , 如图 4所示 .

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一种新型边界层控制技术应用于湍流减阻的实验研究

杨弘炜高　歌(北京航空航天大学404教研室,北京,100083)EXPERIMENTALSTUDYFORTURBULENTDRAGREDUCTIONUSINGANOVELBOUNDARYCONTROLTECHNIQUEYangHongwei,GaoGe(Faculty404,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Beijing,100083)

摘　要　对一种新型的边界层控制技术——菱形网圆坑点阵结构的减阻特性进行了研究,水洞实验表明这种结构应用于NACA216012翼型表面的减阻效果最高可达22%。关键词　边界层控制　湍流减阻　水洞实验中图分类号　V211.4,O35711

Abstract　Anovelboundarycontroltechniquewasinvestigatedforitsdragreductionabilities,whichisaspecialsurfacestructrure——theconcavesphericalpitswitharrangingintheorderofarhombus.ThewatertunnelexperimentindicatedthatthiskindofsurfacestructureontheNACA216012foilsurfacecanreducetheflowresistanceupto22%.Keywords　boundarylayercontrol,turbulentdragreduction,watertunnelexperiment

湍流减阻技术的研究是近年来国际上比较活跃的一个研究领域。70年代末,NASALangley

实验室成功地采用了Riblets来限制湍流猝发的强度实现了7%的减阻效果[1];后来人们一直沿

着这条道路孜孜不倦地进行着湍流减阻的研究和探索,对各类不同的表面结构[2,3]甚至一些鱼类[4]都进行过风洞或水洞的减阻实验,并取得了很多的研究成果。本项研究就是在上述研究的基础上,通过对湍流边界层机理的研究,以及对自然界的一些生物,特别是鲨鱼、中华鲟鱼等高速鱼类的表皮结构的观察分析,设计出了一种菱型网状的小圆坑结构,是一种小积曲面的近似。在本文中,对这种结构的流态进行了分析,以NACA216012翼型为研究对象,对比光滑面与小圆坑点阵结构,进行了水洞实验。

1　模型设计及实验状态经分析研究选择NACA216012对称翼型作为圆坑点阵结构表面比较实验研究的基本翼型。圆坑点阵表面结构是有些类似于高尔夫球表面的一种结构,也类似于中华鲟鱼表面鱼骨的一种排列结构。这种结构易于加工,其每个圆孔直径3～5mm,深径比<1󰃗10,覆盖面积为总面积的1󰃗3(参见图1)。圆坑点阵结构采用机械加工,以手工消除机械加工产生的锐边。根据实验水洞测试工作段的尺度,稳定均匀水流速度的范围及三分力天平的量程设计选择翼型模型的展宽为100mm,弦长120mm,相对厚度0112。翼剖面的一端与圆盘形基座连成一体,

安装于三分力天平上;另一端与有机玻璃观察窗靠近,保持不大于1mm的间隙。

第18卷　第4期1997年 7月航　空　学　报ACTAAERONAUTICAETASTRONAUTICASINICA Vol.18No.4July1997© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net图1　圆坑点阵结构示意图翼型模型以实心的钢材加工抛光制成,加工精度在10Λm以内。选择好翼型后,首先进行原翼型的升阻力测量,完成后,将翼型模型按图1结构布局要求在翼面上加工圆凹坑,直径为3～4mm,

凹坑深为2～2.5mm,两圆坑中心距离为9～10mm,完工后将凹坑表面毛刺锉平打光,作为No.1方案,再放入水洞中进行No.1方案的测力实验。为探讨凹坑深度对升阻力的影响,在完成上述实验后,将No.1方案的凹坑用腻子胶水填补抹平,待腻子干后形成自然的凹陷,以此作为No.2

方案,其深径比仅为1󰃗12～1󰃗15,进一步对此方案进行测力实验。

2　实验设备及实验方法(1)实验设备及数据精度　本次实验选用

702所03A实验室的二元循环水洞进行,其具有0.1m×0.5m的矩形截面工作段,工作段前后两侧及上方装有有机玻璃观察窗,配以碘钨灯和频闪光源可观察流动状态并作摄影和录相。翼型模型座与测量升、阻力和俯仰力矩的三分力天平连接,并与转角机构联成一体可做攻角调整。测力天平信号由应变信号转化为电信号获得,经直流放大器放大后可在直流电表上显示,

并可输入计算机完成采样。测力天平在实验前进行标定。水流速度由测量水洞收缩段前后压差的方式获得,压差用水银比压计测量,实验前用毕托管进行标定。静压测孔位于翼剖面0°攻角下首尾端连线的上游部分,可直接由水银比压计测读。实验水速7m󰃗s,水速波动±3%;测力天平升阻力±3N,力矩±6N󰃖m;静压误差±2mm󰃖Hg。(2)实验方法　所有实验状态均在V0=7m󰃗s条件下进行,空气含量处于饱和状态,雷诺数

Re=0.74×106。三分力天平测得升、阻力及力矩信号由计算机进行采样,采样时间间隔016s,每

个测点采样20次。翼型角度大小亦由电信号进行记录。实验过程中翼型模型由0°攻角起始,向同一方向增大(或减少),直至指定的最大攻角为止,

以避免调整机构间隙带来的误差,每个攻角下重复测试数次,取其平均值作为测量结果。对应于0°,2°,6°,8°,10°,12°攻角时测得的空泡数Ρ=0.35,0.4,0.6,0.8,1.0,1.5,2.0,3.0下的升、阻力及升阻比值。

3　实验结果分析图2

(

a～c)分别给出了原翼型方案、No.1方案及No.2方案在空泡数Ρ=2.0条件下升、阻力

系数和升阻比的比较。从图2

(

a)可以看出No.1及No.2方案的升力系数较原翼型有所下降,攻

角大于4°时,No.1方案升力系数小了5◊;但从图2

(

b)的阻力系数曲线比较看,No.1方案翼型剖

面的阻力系数在攻角大于2°以后比原翼型剖面有着显著的减少,4°时减阻12◊,8°时减阻22◊,

12°时减阻18◊;而No.2方案翼型剖面几乎在所有的攻角范围内都实现了减阻,减阻在12◊～20◊。从升阻比曲线(图2(c))来看,No.2方案在攻角2°以后明显高于原翼型,最高高出约40◊;而No.1方案在攻角315°以后比原翼型高出约24◊;与No.2方案相比,小攻角下No.1方案翼型升阻比低,8°以上大攻角下则高出7◊。

图2　三种方案的升阻特性比较(a)升力系数图;(b)阻力系数图;(c)升阻比图

4　讨　论菱型网状圆坑结构是小积曲面的一种近似,这种结构形成的一种特殊流态可能是其实验减阻的主要原因。文献[5]的结果表明,这种小圆坑结构可以形成一种其称之为龙卷风状的涡结构,

这种涡结构使流场中的旋涡产生了自组,这样流场中大部分的涡都被吸引到这种结构中来,从而破坏了流场中的湍流涡结构,并严重干扰了湍流大涡的形成,从而有利于减阻;另一方面这种特殊的流场结构也可能不利于T2S波向三维的转化。从实验结果来看,凹坑结构的深径比对减阻的效果影响很大,深径比在1󰃗12时效果更好一些,这方面尚有待于进一步研究。另一方面,水的特性与空气中的特性有时会完全不一样,水中可以实现的大幅度减阻在空气中是否具有同样的结果,亦有待于进一步的研究。从流动结构上看,加工精度对结果的影响也会很大,如果锐边未做处理或有毛刺则可能会导致相反的结果;另外,这种凹坑点阵结构引起的特殊流动对传热将会有好的影响。圆形凹坑结构的尺寸比Riblets大了近两个数量级,在加工和维护上都具有明显的优越性,

具有很好的工程实用价值,今后有必要进一步开展相关的工程实用研究。感谢702所钟本基高级工程师在水洞实验中提供的帮助。

参　考　文　献1　WalshMJ,etal.Dragandheattransferonsurfaceswithsmalllongitudinalfins.AIAA27821161,19782　WalshMJ,etal.Turbulentboundarylayerdragreductionusingriblets.AIAA28220169,19823　CollierFS,etal.Injectionintoaturbulentboundarylayerthroughporossurfaceswithdifferentsurfacegeometries.AIAA28320295,1983

4　BechertDW,etal.Onthedragreductionofthesharkskin.AIAA28520546,19855　КикналзеГЛ.Самоорганизациявихреьыхструктурприобтеканикводойполусферическойлунки.Аокх,АНСССР,1986.291(6):1315～1318

754第4期杨弘炜等:一种新型边界层控制技术应用于湍流减阻的实验研究