流体流动减阻终稿.docx

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流体流动减阻终稿

流体流动减阻技术综述

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（能源科学与工程学院，热能工程系）

摘要：

目前,对于流动减阻的相关研究和应用越来越多,许多有效的流动减阻方法得到了广泛的应用。

对于这些方法的减阻机理,一般认为是通过增加粘性底层的厚度实现减阻的。

其中超疏水表面减阻是当前研究的热点，应用前景十分广阔。

表面浸润性是固体表面重要特性之一，通常采用液滴在表面的接触角大小来衡量，当表面接触角大于150°时，该表面被称为超疏水表面。

表面微细粗糙结构是获得超疏水表面的关键。

随着微纳米科技的发展，超疏水表面的可控加工成为可能，由于其广阔的应用前景，超疏水表面的浸润性及其应用成为研究的热点。

然而,目前关于流动减阻机理的研究还不是十分成熟,需要进一步进行研究。

关键词：

热能工程；减阻；滑移长度；超疏水表面

中图分类号：

文献标识码：

文章编号：

Reviewoftechnologyonthefluidflowdragreduction

JIANGTao

（Schoolofenergyscienceandengineering,Departmentofthermalengineering）

Abstract：

“DragReduction”isahotspotresearchofthehydrodynamicswithmoreandmoreresearchworkandapplica-tions.Manydragereductionmethodsareusedwidely,andthemechanismresearchofthesemethodsarealsodeveloping.Generallyspeaking,thethickeningoftheviscoussublayeristhemainacademicreason.Inallthemethods,Thesuperhydrophobicsurfacedragreductionisthefocusofcurrentresearch,andhasverybroadapplicationprospects.Thewettabilityisoneofthekeyfeaturesofsolidsurface,usuallythecontactangleofdropletsonthesurfaceisusedtomeasurewettability,whenthecontactangleisgreaterthan150°,thissurfaceiscalledsuper-hydrophobicsurface.themicrostructureonthesurfaceisthekeyfactortogetsuperhydrophobicsurface.Withthedevelopmentofmicroprocessingtechnology,man-madesuperhydrophobicsurfaceispossible.Becauseofitsbroadapplication,thewettabilityandapplicationofsuperhydrophobicsurfacebecomeahotresearch.Buttheresearchworkofthedragreductionisnotsomature,needmorefurtherdevelopment.

Keywords：

thermalengineering;dragreduction;sliplength;superhydrophobicsurface

0引言

能源问题一直以来都受到世界各国的重视，实际工程里到处可以看到换热和流动的问题，如化工、石油、动力以及航空、航天、核能等工业部门。

节约能源，降低消耗，提高流体机械的工作效率，提高热交换效率等是人类一直追求的目标。

首先，从流动减阻方面来说，对于自然界中的流动状态，人们一般将其分为层流流动和和湍流流动；对于雷诺数较小的层流流动来说，它的流动控制策略研究已经相当成熟，且现存的绝大多数问题在实际工程应用中已经很成熟，可靠度也很高。

当雷诺数足够大时，流动变成湍流，流动状态变得很复杂，湍流中各物理参数，如速度、压力、温度等随时间与空间发生变化。

而对于较大雷诺的紊流流动，是实际中较常见的一种流体形态，对它的研究具有广泛的应用前景。

湍流研究最多的就是湍流流动减阻的研究。

目前，减少输送过程界面上的摩擦阻力是节约能源的一种方法，这就需要采取措施降低输运过程的流动阻力。

流动减阻的方法一般有：

仿生减阻（包括沟槽减阻、肋条减阻、柔顺壁面减阻、疏水表面减阻）、动态减阻（包括气幕减阻、壁面振动减阻、壁面吸入法减阻、等离子体减阻、壁面加热和冷却减阻）、静态减阻（包括添加剂减阻（聚合物减阻、表面活性剂减阻、纤维材料减阻）、涂层减阻、磁性液体粘性减阻）、浆体管道减阻（包括螺旋流减阻、螺旋管道、改变管道形状减阻）、联合减阻等[]。

本文将对国内外减阻技术的主要成果进行回顾，并对其减阻原理进行总结和分析，简单介绍其在工业领域的应用。

1减阻技术综述

这些年来,关于减阻的实验研究比较多,取得了许多相关的资料和数据,有一些已经得到了广泛的应用。

主要包括沟槽法、气泡法、柔壁法、高聚合物添加剂法、高分子涂层减阻和壁面振动减阻等。

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1.1仿生柔壁法

20世纪60年代,Kramer发现“人造海豚皮”的减阻效果后,柔壁减阻越来越受到人们的重视。

通常的做法是在固体壁面上加泡沫塑料,往中间充满水或油等液体后,在上面蒙一层不渗透或半渗透性的薄膜,这样就能产生一定的弹性。

近期Cooper和Carpanter致力于研究优化柔顺涂层以达到最大程度地降低表面摩擦阻力,例如采用复合柔顺嵌板以及各向异性的涂层等。

他们还研究了柔顺性转盘对边界层转捩的影响。

俄罗斯学者Kulick和Semonov研究证明柔顺壁能有效降低表面摩阻和流动噪声,降幅可达17%。

诺丁汉姆大学的Choi对其结果进行了一系列的验证试验,结果表明其中一种柔顺壁的湍流减阻率可达7%,相应的柔顺壁下游的表面摩擦力下降7%。

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一般认为,柔顺壁的作用使得粘性底层变厚,边界层上流速梯度减小,从而减小了边界面上的剪力,也减小了由于剪力做功而发散的能量,实现了减阻。

1.2壁面震动减阻

该方法是最近才出现的一种减阻方法。

这种方法的基本思想是壁面的振动可以减小湍流和表面摩擦力,最初是利用直接数值模拟（DNS）研究得到的。

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美国伊利诺斯大学的MaoZhuoxiong等首先进行了大振幅壁面振动减阻试验,在雷诺数9700~19200的范围里,减阻率达到10%~15%。

Laadhari等为了验证DNS结果,也进行了试验,研究壁面顺翼展方向振动时湍流边界层的情况。

结果表明,靠近振动壁面处湍流边界层的平均速度梯度减小,湍流强度减弱,从而验证了壁面振动可以减小湍流边界层的表面摩擦阻力。

目前针对该方法的研究文献较多,关于机理的分析有两种说法:

一是认为减阻与振动壁面上周期性的Stokes层产生的顺翼展方向的涡旋状态有关,因为它在粘性底层减小了平均流速梯度,从而影响了边界层的剖面,近壁区流向涡也顺翼展方向重新排列,从而减弱了横向边界层的流向涡的波动强度。

另一种说法认为,在湍流边界层存在准流向涡的再生循环现象,壁面湍流就是靠它来维持的。

一般认为准流向涡是产生湍流表面磨擦力的直接原因,而壁面振动干扰了准流向涡的再生循环从而实现减阻。

1.3超疏水表面减阻

表面润湿是固体表面的重要特性之一，也是最常见的一类界面现象，润湿性通常用表面液滴的接触角来衡量，通常将接触角小于90°时的固体表面称亲水表面（hydrophilicsurface）,大于90°称疏水表面（hydrophobicsurface），其中，当固体表面上液滴的表观接触角超过150°时，称超疏水性表面（superhydrophobic）。

它在工农业生产和人们的日常生活中都有着非常广阔的应用前景[]，如输油管路减阻、微通道流动、水中行具减阻、自清洁表面材料等。

超疏水表面的减阻机理实际上是由流体流经固体表面时所存在的气液接触特性决定的。

JiaOu和JonathanP.Rothstein的实验表明，流体的压降与气液接触面上的滑移速度有着直接的联系，并且气液接触面的存在减小了液体和固体的有效接触面积，也就是在流固界面上存在滑移边界条件，这种滑移边界条件在层流条件下能够造成明显的减阻效果，而在湍流条件下它对流动的影响仍不十分确定。

1.4微气泡减阻

在物面上造成气泡,利用气泡的小摩阻性和易变形特点来调节底层流动结构以减阻。

西北工业大学的宋保维等研究了边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响,在一定条件下,计算得到减阻率在60%左右[]。

他们认为微气泡减阻的机理在于:

位于边界层内的微气泡本身具有变形能,它把剪切力作用于流体的一部分功转为变形能储存起来,从而减少了能量损耗,导致减阻。

但此方法有一个很大的缺点,就是气泡不稳定,一旦破裂将产生较大的阻力和噪声;同时,如果气泡太小又不能达到减阻效果,因此应注意气泡的产生和消除。

1.5沟槽法减阻

目前的各种湍流减阻方法中，沟槽表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点，被公认最具使用潜力。

该技术起源于仿生学对鲨鱼等鱼类表皮的研究（图1），通过在航行体外表面加工具有一定形状尺寸的沟槽结构（沟槽方向与流向一致，有V形、U形等多种形状），就能达到很好的减阻效果。

该项技术在国外已投入了实际应用，如空中客车将A320试验机表面积的约70%贴上沟槽薄膜，达到了节油1%～2%的效果；NASA兰利中心在Learjet型飞机上开展的类似飞行试验显示，沟槽表面的减阻量约为6%左右；另一个典型的例子就是Speedo公司（美国）生产的具有表面的游泳衣。

[]图1鲨鱼表皮局部放大照片

Fig.1Sharkskinslocalmagnificationpictures

近些年来,对肋条减阻机理的研究越来越多。

Gallagher和Thomas认为粘性底层厚度增加是实现减阻的主要原因。

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带条相联系的流向涡,并在肋条之间的沟槽内保留低速流体。

Choi认为,最主要的是纵向凹槽与马蹄形涡相互作用并阻碍漩涡的进一步发展,从而实现了湍流减阻。

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

这一点被Park和Wallace对肋条侧面摩阻的精细测量所证实。

由于沟槽法减阻的可靠性和可应用性,国外的研究已经进入了工程实用阶段,主要在航空界应用较多。

1.6涂层减阻

涂层减阻是在管道或明渠内壁涂上减阻材料以达到减阻效果的方法,其关键技术在于减阻涂料和涂敷技术两个方面。

该方法最早在1953年就应用于石油管道干线输气,发现可以使输气量增加5%~20%。

后来该方法有了更进一步的发展,目前在天然气输运领域得到广泛应用。

朱秀芳等研究了多种高分子涂层在水中的减阻效果,发现硅油的减阻效果最好。

其机理主要是利用了硅油的疏水性,使得壁面更光滑,从而减小了阻力。

我国天然气管道正处在一个