沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展王树立.docx

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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（200801-0146-05

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PIV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;Phoenics;流场

中图分类号:

TE89　　　　　　　　　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NASA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Darcy实验所描述的那样是减阻最佳表面。

随着70年代NASA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]。

Choi[4]和Orchard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,Kline[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　　　　　　　　　　Vol.30　No.1　2008年　2月　　　　　　JournalofSouthwestPetroleumUniversity（Science&TechnologyEdition　　　　　　Feb.　2008

*收稿日期:

2007-03-06

基金项目:

江苏省教育厅资助项目（04KJ440030;江苏省油气储运技术重点实验室资助项目（CY0505。

-,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Baldwin-Lomax[15]（B-L和Spalart-Allmaras[16]（S-A模式对平板边界层、AerospatialA-profile翼型低速大迎角和RAE-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NACA0024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Kramer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

NASA兰利研究中心的Walsh及其合作者[18-21]对应用于湍流减阻中的不同断面的riblets（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%。

Wilkinson和Lazos在NASA兰利研究中心曾首先推出thin-element-iblets（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Walsh的实验结论相近。

Choi[23]和Walsh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

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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。

Walsh[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。

但在中等或者强压力梯度下,还没有取得一致的结论。

Debisschop和Nieuw-stadt[28]研究了逆压梯度对沟槽平板的影响,得到了

13%的减阻,比相应的零压梯度情形多减阻7%,这表明逆压梯度增加了沟槽板的减阻效果。

周恒[29]通过研究认为顺压梯度能抑制相干结构的生成和发展,而逆压梯度对相干结构有激励和促进的作用;有压力梯度和无压力梯度相比,相干结构的尺度,形状以及传播速度等都已改变。

3　减阻机理的研究

为了有效的设计减阻表面,人们的注意力集中到肋条表面湍流减阻机理的研究上。

许多学者从不同的角度对减阻机理进行了探讨。

Gallagher和Thom-as[30]认为是由粘性底层厚度的增加造成的;Bacher和Smith归结为反向旋转的流向涡与肋条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条带转捩相联系的流向涡,并在肋条之间的沟槽内保留了低速流体。

流动显示结果表明:

注入的染色液的展向扩散限于肋间沟槽内,相邻沟槽间的相互作用较弱。

Starling和Choi认为最主要的原因是纵向凹槽

而降低了湍能的耗损,实现了转捩延迟和湍流减阻。

肋间沟槽限制了流向涡的展向运动,引起壁面猝发变弱,从而降低了湍能耗损,导致了壁面摩阻的减少。

Walsh认为狭窄的V型肋间沟槽的沟谷保留有低摩阻的低速安静流速而降低了总的阻力。

这一点被Park和Wallace[31]对肋条侧面摩阻的精细测量所证实,他们得到胁条侧面1/4部分的摩阻与光滑面的大致相等,其余部分的摩阻比光滑面小,从而导致了总摩阻的降低。

Vukoslavcevic等[32]通过测量肋条尖顶和沟槽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。

Schwaiz-vanManen等[33]得到了类似的结果。

本文通过PHOENICS3.6流场计算软件,模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场的情况,入口速度设为10m/s,验证了潘家正[26]的“微型空气轴承”的减阻机理,得到了完整的沟槽内的速度矢量分布图（图2,同时也发现沟槽平板上横向布置的下凹沟槽使得湍流边界层下移,速度的衰减发生在沟槽底部,和平板表面处于同一平面的凹槽顶部速度明显比同等条件下的光滑平板速度大（图3。

在入口压力一定的情况下,速度越大,则压降越小,阻力也越小,从而达到减阻。

这是对“微型空气轴承”减阻机理的另一种认识。

图2　单个沟槽底部速度分布矢量图

3　

148西南石油大学学报（自然科学版　　　　　　　　　　　　　　　　2008年

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,目前国外的研究已进入工程实用阶段。

美国、欧洲、俄罗斯和日本都展开了沟槽面减阻应用的研究,空中客车公司在A320试验机的70%表面上贴上沟槽薄膜,达到了节油1%~2%的效果;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%;KSB公司[34]将多级泵的叶片表面加工成一定形状的沟槽后综合效率提高了1.5%;Nitschke[35]通过测量具有流向沟槽面衬里管道的两端压差获得了一定的减阻效果;DLRBerlin的研究机构及日本的研究人员对内衬沟槽面的输油或输水管道进行了减阻实验研究均发现管输量有不同程度的提高。

国内,西北工业大学的李育斌[36]、西安飞机公司的王志歧在1∶12运七原型金属模型上具有湍流流动的区域顺流向粘贴肋条薄膜后,达到减少阻力5%~8%的效果。

可见沟槽减阻技术具有广阔的应用前景和发展空间。

5　结论与认识

（1通过PHOENICS3.6流场计算软件,模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场的情况,验证了“微型空气轴承”的减阻机理。

（2对于沟槽湍流减阻的机理,有学者认为是由于反向旋转的流向涡与沟槽形成的小的二次涡的相互作用,并在沟槽内保留低速流体,导致了壁面摩擦阻力的降低,也有学者认为沟槽尖峰处生成的二次涡是产生并影响减阻效果的根本原因。

（3沟槽减阻问题的本质在于对湍流的认识,而湍流是流体力学中公认的难题,自19世纪末雷诺提出湍流的统计理论至今,湍流研究仍然不能满足工程应用的需要。

对沟槽面湍流减阻边界层特性、湍流拟序结构、条带结构及沟槽减阻机理的研究有待深入。

（4由于内壁沟槽机械加工相对困难、减阻效益与改善设备投资对比不明确,现阶段管道沟槽减阻在油气储运行业的研究还停留在实验阶段,并没有大规模在工业应用上推广。

所以利用带有横向或纵向沟槽的管道,结合加温、加减阻剂对原油管道中,,到降低原油输送能耗的目标。

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