湍流降阻應(yīng)用實(shí)例

1、 湍流降阻湍流減阻技術(shù)有泥沙減阻 1、微汽泡及吹氣和吸氣減阻 2,3、聚合物減阻 4 、涂層減阻 5 、磁減阻6 、仿生非光滑減阻7-12等, 這些技術(shù)主要是控制邊界層內(nèi)的湍流結(jié)構(gòu), 特別是擬序結(jié)構(gòu), 從而達(dá)到控制湍流動(dòng)能損耗, 實(shí)現(xiàn)減阻目的。仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)魚類等水生動(dòng)物和有翼昆蟲等飛行動(dòng)物經(jīng)歷了近億年進(jìn)化過程, 形成了一種滿足自身生存需要的非光滑減阻表面。如Reif 教授在研究40 多種不同生長階段的鯊魚后, 發(fā)現(xiàn)當(dāng)鯊魚快速游動(dòng)時(shí), 表皮上有精細(xì)間隔的鱗脊, 鱗脊間有圓谷, 鱗脊的排列基本上與流動(dòng)方向平行, Reif 認(rèn)為, 鯊魚皮上的鱗脊可以使邊界層穩(wěn)定, 減小快速游動(dòng)阻力9 。受此啟發(fā),

2、 用仿生非光滑技術(shù)改變近壁區(qū)流場(chǎng), 減小壁面摩擦阻力, 不會(huì)給使用體帶來附加設(shè)備、額外能量消耗和污染物, 僅改變壁面形狀就達(dá)到減阻效果,在各種減阻技術(shù)中被認(rèn)為是最有前途的方法。圖1 為三角形、扇貝形和刀刃形三種仿生非光滑溝槽形狀參數(shù)示意圖, 其中s = 0. 1mm, h =0. 05mm, 刀刃形溝槽刃寬t = 0. 2 × h 。三種模型在相同的計(jì)算域中模擬, 將光滑表面與溝槽表面置于同一流場(chǎng)中, 便于結(jié)果對(duì)比, 減小計(jì)算誤差。先在ANSYS 中建立幾何模型, 對(duì)其進(jìn)行離散化, 再將離散單元導(dǎo)入GAMBIT 中, 進(jìn)行網(wǎng)格平滑處理和區(qū)域劃分, 最后將網(wǎng)格導(dǎo)入FLU ENT 中進(jìn)行

3、計(jì)算及結(jié)果顯示。為了便于觀察流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)情況, 沿流向布置8 個(gè)溝槽。三角形和扇貝形用六面體網(wǎng)格離散, 刀刃形用三角形網(wǎng)格離散。流向均勻劃分40 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn), 垂向不等間距劃分40 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn), 中心處網(wǎng)格最稀, 從中心向兩邊網(wǎng)格間距以0. 25 倍等比速度減小, 溝槽表面劃分變尺寸網(wǎng)格, 溝槽網(wǎng)格密度在谷底最稀, 谷頂最密, 網(wǎng)格間距從谷頂?shù)焦鹊滓?. 5 等比速度減小。三種情況下溝槽表面所劃分的網(wǎng)格密度相同, 并等于光滑表面。圖2 CFD模型表1 三種溝槽表面上網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)列表形狀頂角sh溝槽表面網(wǎng)格數(shù)網(wǎng)格總數(shù)溝槽表面積三角形90°0.15×10-2141810234.53

4、5;10-6扇貝形-0.15×10-2161978214.95×10-6刀刃形-0.15×10-2212400056.00×10-6在ANSYS 中建立的幾何模型如圖2( a) 所示, 計(jì)算域展向長度為0. 8mm, 流向長度為4mm, 垂向高度為4mm。圖2( b) 2( f ) 為離散后的CFD 模型, 扇貝形和三角形離散的六面體網(wǎng)格圖相似, 在此只列出三角形的CFD 模型, 溝槽表面所劃分的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)列于表1 中, 刀刃形溝槽表面形狀比較特殊, 很難劃分六面體網(wǎng)格, 只能劃分四面體網(wǎng)格。2. 2 邊界條件流場(chǎng)分析時(shí)認(rèn)為流場(chǎng)穩(wěn)定, 各參數(shù)不隨時(shí)間變化;

5、 流體為不可壓縮流, 密度和黏性等物理性質(zhì)不隨時(shí)間變化; 不涉及傳熱問題; 采用各向異性假設(shè)。用有限體積法求解N-S 方程, 近壁區(qū)采用B-L兩層湍流模型, 遠(yuǎn)離壁面區(qū)采用雷諾應(yīng)力湍流模型( RSM) , 邊界條件為光滑表面與溝槽表面施加固壁無滑移條件, 即上下壁面X , Y, Z 三個(gè)方向速度為零,入口處給定質(zhì)量流率m = 0. 2 kg/ s, 流向和垂直于流向的方向施加周期邊界條件。計(jì)算溫度t = 20,流體介質(zhì)為水, 動(dòng)力黏度= 0. 001N×s/ m2 , 密度= 998 kg / m, 運(yùn)動(dòng)黏度= 1×10-6 m2 / s, 雷諾數(shù)Re= 6.0×

6、105 , 雷諾數(shù)計(jì)算時(shí)取過流斷面水力直徑為特征長度。3 三種仿生非光滑溝槽表面流場(chǎng)分析3. 1 剪應(yīng)力分析計(jì)算結(jié)果表明三種溝槽表面剪應(yīng)力均小于光滑表面, 具有減阻效果, 但由于溝槽形狀的不同減阻效果不同, 三角形溝槽減阻效果最差, 刀刃形溝槽減阻效果最佳。圖3 溝槽表面應(yīng)力云圖 光滑表面單元平均剪應(yīng)力為1. 2×104 N/ m2。由溝槽表面剪應(yīng)力云圖3 可以看出三角形溝槽表面 最大剪應(yīng)力為1.07×104 N/ m2 , , 比光滑表面減小10.8%; 扇貝形溝槽表面最大剪應(yīng)力為5.1×103 N/m2 , 比光滑表面減小57.5% ; 刀刃形溝槽表面最大剪應(yīng)

7、力為4. 5×103 N/ m2 , 比光滑表面減小62.5% 。由圖3 4 可見三種溝槽表面高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)位置及面積不同, 三角形溝槽高應(yīng)力區(qū)起始位置最低并且面積最大, 壁面總阻力最大, 減阻效果最不明顯; 刀刃形溝槽高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在刀刃尖端非常窄的帶形區(qū)域內(nèi), 起始位置最高并且面積最小, 壁面阻力最小, 減阻效果最好。圖5 三種溝槽表面及光滑表面展向及垂向速度矢量圖3. 2 速度場(chǎng)分析圖5 給出了三角形、扇貝形和刀刃形溝槽表面和光滑表面展向和垂向速度矢量圖, 通過對(duì)比可見溝槽表面對(duì)湍流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。三種溝槽表面流向渦的展向運(yùn)動(dòng)都產(chǎn)生分離并生成二次渦, 但是二次渦的位置、近壁區(qū)流體上沖

8、和下掃運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)度不同。Choi曾指出溝槽減阻與否與溝槽面漩渦有很大關(guān)系 12 。三角形溝槽表面二次渦位置最低, 壁面受高強(qiáng)度流體上沖和下掃運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度最大, 動(dòng)量傳輸最強(qiáng), 故壁面受高應(yīng)力影響區(qū)域的面積最大, 由于溝槽谷底間距及壁面曲線斜率最小, 谷底附近流體受壁面阻礙并且安靜流區(qū)域面積最小, 所以層流底層厚度最小, 壁面總阻力最大, 減阻效果最差。刀刃形溝槽表面二次渦停留在溝槽尖頂附近, 位置最高, 與壁面相接觸的流體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度最弱, 壁面幾乎不受高強(qiáng)度流體上沖和下掃運(yùn)動(dòng)影響, 壁面流體的動(dòng)量傳輸較低, 由于溝槽谷底間距及壁面曲線斜率最大, 谷底附近安靜流體的運(yùn)動(dòng)比較自由并且區(qū)域最大, 所以層流底

9、層厚度最大, 整個(gè)非光滑表面剪應(yīng)力最低, 總阻力最小, 減阻效果最好。圖6 雷諾剪應(yīng)力曲線圖3. 3 雷諾應(yīng)力分析由圖6 雷諾剪應(yīng)力曲線可知三種溝槽表面的雷諾應(yīng)力均小于光滑表面。光滑表面、三角形、扇貝形和刀刃形溝槽雷諾應(yīng)力最大值分別為8 m2 /s2、7. 8 m2 / s2、7 m2 / s2 和6. 2 m2 / s2。雷諾應(yīng)力是橫向脈動(dòng)在剪切場(chǎng)中的體現(xiàn), 橫向脈動(dòng)體現(xiàn)了平均剪切率產(chǎn)生的流向脈動(dòng)動(dòng)能的傳遞。故三角形溝槽表面附近橫向脈動(dòng)最大, 對(duì)流向脈動(dòng)動(dòng)能的傳遞功能最強(qiáng),流體對(duì)壁面的作用力最大, 壁面摩擦阻力最大, 減阻效果最差; 刀刃形溝槽表面橫向脈動(dòng)最小并且流向脈動(dòng)動(dòng)能的傳遞功能最弱,

10、 流體對(duì)壁面的作用力最小,壁面總阻力最小, 減阻效果最好。3. 4 湍流統(tǒng)計(jì)分析圖7 為光滑表面與三種溝槽渦量曲線圖。由計(jì)算結(jié)果可知光滑表面流向渦量、展向渦量和垂向渦量平均值分別為1. 5 ×1051/ s、3. 8 × 1061/ s 和5 ×1051/ s。三角形溝槽表面流向渦量、展向渦量和垂向渦量的最大值分別為1. 25 × 105 1/ s、2. 5 × 1061/ s 和2. 0 × 106 1/ s; 扇貝形溝槽三個(gè)方向渦量的最大值分別為1. 05 × 1051/ s、2. 0 × 106 1/ s 和

11、1. 5 × 106 1/ s, 小于三角形溝槽表面上相應(yīng)渦量值; 刀刃形溝槽三個(gè)方向渦量的最大值分別為1. 0 × 1051/ s、1. 8 × 106 1/ s和2. 4 × 106 1/ s, 在三種情況下最小。由此可見三種溝槽表面流向渦量和展向渦量的最大值小于光滑表面附近相應(yīng)渦量的最大值, 垂向渦量最大值大于光滑表面, 即溝槽抑制流向渦的展向運(yùn)動(dòng)。由于三角形溝槽流向渦量和展向渦量的最大值在三種溝槽中最大, 與光滑表面相應(yīng)渦量值的差距最小, 流向和展向渦量被三角形溝槽表面減小的程度最小, 故其對(duì)流向渦的展向運(yùn)動(dòng)的抑制作用最不明顯,對(duì)湍流擬序結(jié)構(gòu)的影

12、響程度最差, 減阻率最低 13 。刀刃形溝槽流向渦量和展向渦量的最大值在三種溝槽中最小, 與光滑表面相應(yīng)渦量值差距最大, 流向和展向渦量值被刀刃形溝槽表面減小的程度最大,故其對(duì)流向渦的展向運(yùn)動(dòng)的抑制作用及對(duì)湍流擬序結(jié)構(gòu)的影響程度最大, 減阻率最高。圖7 溝槽三個(gè)方向渦量圖表2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表形狀光滑表面阻力FS（N）非光滑表面阻力FNS（N）減阻率FNS-FS/FS WALSHBECH ERT三角形0.03780.0366-3.2-2-2.5扇貝形0.03720.0338-9.1-8-7刀刃形0.03750.0339-9.7-9-8 通過分析同一流態(tài)中溝槽表面的剪應(yīng)力、速度場(chǎng)及渦量,

13、 可知三種溝槽表面高應(yīng)力區(qū)起始點(diǎn)位置、區(qū)域面積、二次渦位置及流體對(duì)壁面上沖和下掃運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、層流底層厚度、橫向脈動(dòng)速度、流向渦量和展向渦量的不同, 使溝槽減阻效果不同。三角形溝槽減阻效果最差, 刀刃形減阻效果最佳。造成減阻效果不同的主要原因是溝槽形態(tài)不同, 對(duì)湍流擬序結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)不同。溝槽頂角越小, 溝槽谷底間距和溝槽表面形狀曲線的斜率越大, 則二次渦被抬的越高, 層流底層厚度越大, 溝槽對(duì)湍流擬序結(jié)構(gòu)中流向渦的展向渦卷影響越大, 溝槽表面減阻效果越好, 為設(shè)計(jì)最佳減阻溝槽表面提供依據(jù)。4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比通過對(duì)剪應(yīng)力進(jìn)行面積積分得到壁面阻力F 。WALSH ( 1982) 等的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn) 1

14、1 和BECHERT( 1997) 等的油槽實(shí)驗(yàn) 8 為溝槽表面流場(chǎng)特性的研究提供了必要的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。采用與該實(shí)驗(yàn)條件相同的計(jì)算條件, 通過對(duì)比可以看出, 計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好吻合, 在相同的特征尺寸下, 溝槽形狀不同導(dǎo)致減阻效果有很大差異。湍流降組應(yīng)用實(shí)例4.1 溝槽降阻早期,對(duì)于減阻現(xiàn)象的研究一般集中在利用測(cè)力天平等設(shè)備直接測(cè)量壁面所受阻力的大小。隨著研究的深入,研究者們?cè)絹碓蕉嗟貙⒛抗饧性跍喜勖嫱牧鬟吔鐚觾?nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其相關(guān)規(guī)律的研究。由于在層流流動(dòng)中未曾發(fā)現(xiàn)溝槽的減阻效應(yīng),同時(shí),又由于流體輸運(yùn)設(shè)備中大多數(shù)流體的流動(dòng)狀態(tài)為湍流,因此就其根本而言,溝槽面的湍流減阻技術(shù)是湍流理論研究的一

15、個(gè)重要組成部分。迄今為止,溝槽面湍流減阻技術(shù)仍未成熟,目前還未真正走出實(shí)驗(yàn)室。其應(yīng)用范圍歸納起來主要有三方面:飛行器、流體驅(qū)動(dòng)設(shè)備、管道輸運(yùn)系統(tǒng)。早期見諸報(bào)道的是20世紀(jì)80年代德國飛機(jī)制造商利用帶溝槽的飛機(jī)機(jī)身能使飛機(jī)節(jié)省燃料8%。而空中客車公司在A320試驗(yàn)機(jī)面積的70%貼上溝槽薄膜,達(dá)到了節(jié)油1%2%的效果。在國外,如美國、歐洲乃至我們的鄰居印度近些年陸續(xù)開展的飛行器溝槽面減阻的實(shí)驗(yàn)研究,已經(jīng)取得了較大的進(jìn)展。國內(nèi)對(duì)其在飛行器上的應(yīng)用研究正處于起步階段。如北京航空航天大學(xué)的王晉軍1 、楊弘煒2 ,西北工業(yè)大學(xué)的李育斌3 ,南京航空航天大學(xué)的潘家正4等均作了一定的工作; KSB 公司5在多

16、級(jí)泵的葉片表面加工成一定形狀的溝槽后綜合效率提高了1.5%;在管道輸運(yùn)中,1984年,Nitschke 6通過測(cè)量具有流向溝槽面襯里管道的兩端壓差獲得了一定的減阻效果。DLR Berlin 的研究機(jī)構(gòu)及日本的研究人員各自對(duì)內(nèi)襯溝槽面的輸油或輸水管道進(jìn)行了減阻實(shí)驗(yàn)研究均發(fā)現(xiàn)管輸量有不同程度的提高。由上可見溝槽減阻技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。4.1.1 影響溝槽面湍流減阻的因素影響溝槽面減阻效能的因素,概括起來有溝槽面自身特性和溝槽面所處的流場(chǎng)環(huán)境兩類。溝槽面自身因素包括尺度和形狀。溝槽面所處流場(chǎng)環(huán)境因素主要有流場(chǎng)壓力梯度、過流截面形狀、來流速度等。a.溝槽幾何特性溝槽的幾何尺寸對(duì)湍流減阻的

17、影響始終是人們研究的一個(gè)重點(diǎn)。Choi7認(rèn)為溝槽面阻力的減小或增加取決于溝槽與近壁區(qū)擬流向渦之間的相互作用。當(dāng)溝槽的無量綱尺度與流向渦的平均尺度相當(dāng)時(shí)就有減阻發(fā)生。Walsh8-9也認(rèn)為具有減阻效應(yīng)的溝槽必須具有銳利的峰脊而且溝槽間距與低速條帶間距必定存在某種關(guān)系。通過將溝槽的間距與湍流猝發(fā)時(shí)條帶的間距尺寸相比得出這樣的推測(cè):溝槽形狀尺寸的設(shè)計(jì)是要以抑制低速條帶的振蕩與成長為目的。因此,較為一致的看法是:當(dāng)溝槽的無量綱間距和高小于30 個(gè)粘性長度時(shí)(/ u 定義為粘性單元,為流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù); u 為當(dāng)?shù)啬Σ了俣? ,溝槽面具有減阻效應(yīng)。為了獲得最大的減阻效果,人們對(duì)截面為各種形狀的溝槽進(jìn)行

18、了研究。目前所知用于試驗(yàn)的槽型有:V 字形(對(duì)稱和非對(duì)稱) 、半圓形、U 形、矩形、不規(guī)則四邊形、齒形等。盡管用做試驗(yàn)的槽型很多,但Walsh8發(fā)現(xiàn)對(duì)稱V字形的減阻效果最好且當(dāng)s+ = 15 , h+ = 13 ( s+ =su /, h+ = hu /,分別為采用粘性單元無量綱化后溝槽的槽間距及峰高) 時(shí)可得到8%的減阻率。而高橫比為1的V 型溝槽為最優(yōu)幾何尺寸。同樣Walsh10 對(duì)一系列峰脊形狀不一的對(duì)稱V字槽型研究后發(fā)現(xiàn)槽底為等邊三角形的槽型弱化了減阻效果,槽底為某一曲率弧線的則增強(qiáng)了減阻效果。La2zos & Wilkinson11對(duì)高/ 橫比不同的不規(guī)則四邊形溝槽面研究后發(fā)

19、現(xiàn)減阻量大致與槽的高度成正比而與間距成反比,最大減阻量發(fā)生在大“高橫比”溝槽面上, 且與對(duì)稱V型溝槽的8%相當(dāng), 這一點(diǎn)與Walsh8實(shí)驗(yàn)結(jié)論相近,也與Berchert12的理論探討結(jié)果相一致。b.流場(chǎng)壓力梯度在大多數(shù)工況下,邊界層流場(chǎng)中存在某一壓力梯度,因此,需要考慮壓力梯度對(duì)于溝槽面的減阻效果是否存在影響。Walsh13 對(duì)這一問題進(jìn)行了討論。他認(rèn)為:小壓力梯度下,溝槽表面仍然具有減阻效應(yīng),效果與零壓力梯度下相比基本不變,這一點(diǎn)基本上取得共識(shí);而對(duì)于中等或強(qiáng)壓力梯度下,人們的意見就發(fā)生了分歧Squire & Savill14 , Truong & Pulvin15認(rèn)為溝槽減

20、阻的效果不明顯,而另一些研究者如Choi16 ,Walsh13等則認(rèn)為還是具有一定的效果,至少不變。Debisschop & Nieuwstadt 17發(fā)現(xiàn)風(fēng)洞中負(fù)壓力梯度下不規(guī)則溝槽面最大可獲得13%的減阻效果,這要比零壓力梯度下8%的減阻效果增加了6%7%。c.溝槽面放置方式在他人實(shí)驗(yàn)中,溝槽面有順流向和垂直流向兩種放置方法。梁在潮18在水洞中分別進(jìn)行了橫、縱兩向溝槽面邊界層的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)。他發(fā)現(xiàn)流向溝槽面可以控制低速條帶的數(shù)量;而橫向溝槽則控制低速條帶的長度,槽愈深,條帶長度愈短。王晉軍則認(rèn)為橫向溝槽的減阻效果不明顯。但潘家正4在橫向溝槽面實(shí)驗(yàn)中卻獲得了近10.2 %的減阻效果。

21、而溝槽面順流向放置時(shí)又可分為將溝槽峰脊與基礎(chǔ)面平齊和溝底與基礎(chǔ)面平齊兩種方式。Lazos & Wilkinson11的矩形溝槽板實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)兩種放置方式對(duì)阻力的影響沒有顯著差別。但事實(shí)上,Bacher & Smith19 , Vukoslavcevic20 , Gallagher & Thomas21在實(shí)驗(yàn)中都將溝槽的峰脊與基礎(chǔ)面保持平齊,這樣做可盡量避免來流流場(chǎng)受到溝槽銳利斷面的影響。4.1.2 溝槽面湍流面減阻的機(jī)理 溝槽面湍流減阻機(jī)理的研究人們從NASA 蘭利的發(fā)現(xiàn)及鯊魚等快速游動(dòng)魚類的鱗片上獲得這樣的啟示:光滑表面并非經(jīng)典Darcy 實(shí)驗(yàn)所描述的那樣是減阻的最佳表

22、面。研究者通過對(duì)溝槽面所受表面阻力的測(cè)量和對(duì)局部流場(chǎng)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的研究均能得出阻力相對(duì)減小的結(jié)論,得知“溝槽面能在一定流動(dòng)條件下減阻”是一個(gè)事實(shí)。剩下的問題是溝槽面減阻機(jī)理是什么。由于溝槽的減阻機(jī)理直接涉及到湍流流動(dòng)結(jié)構(gòu),因此在湍流結(jié)構(gòu)未搞清楚以前不可能真正明了它的機(jī)理。這也是為什么各家所提出的溝槽面減阻機(jī)理多為猜想。將各家觀點(diǎn)歸納起來主要有以下幾類:單純從壁面剪切阻力角度出發(fā)提出減阻機(jī)理。Gallagher & Thomas21認(rèn)為由于粘性底層厚度的增加而產(chǎn)生減阻。從湍流擬序結(jié)構(gòu)理論出發(fā)。Choi7 通過對(duì)瞬時(shí)流場(chǎng)的研究提出具有微小間距的溝槽通過限制流向渦的位置來降低粘性阻力;Bache

23、r & Smith19認(rèn)為流向渦能加強(qiáng)低速條帶的展向聚集和低動(dòng)量流體的向外“猝發(fā)”。而減阻溝槽的作用在于通過在槽內(nèi)形成的“二次渦”來抑制低速條帶的展向聚集。這樣就削弱了流向渦將低動(dòng)量流體進(jìn)行展向積聚的能力,也就抑制了動(dòng)量交換。另外由于溝槽的存在使因剪切層的不穩(wěn)定所致的“猝發(fā)”強(qiáng)度變?nèi)?。從機(jī)械減阻原理出發(fā),提出類似“空氣軸承理論”。潘家正4 在解釋減阻機(jī)理時(shí)提出了“微型空氣軸承”的概念。他認(rèn)為在湍流邊界層底部按一定間距安置尺寸適當(dāng)?shù)臋M向小溝槽,有可能“鎖住”流動(dòng)的小渦。小渦本身具有旋轉(zhuǎn)的渦能,被溝槽擋住后,滯留在合適的凹坑內(nèi)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)(或不動(dòng)) ,就像一支支微型的空氣軸承。Lazos &a

24、mp; Wilkinson11認(rèn)為溝槽減阻的唯一機(jī)理在于適當(dāng)形狀、尺寸的溝槽面近壁區(qū)形成了低動(dòng)量、幾近于Stokes 流,是槽內(nèi)的微小空間“鎖住”了低動(dòng)量流體。 具有減阻效應(yīng)的溝槽面不但能通過控制低速制條帶間距來降低湍流“猝發(fā)”頻率,而且在“猝發(fā)”后的高速“下掃”過程中因其幾何結(jié)構(gòu)使“藏”在槽內(nèi)相對(duì)安靜的流體避免或部分避免因高速“下掃”而“誘導(dǎo)”出較大速度剪切層,從而實(shí)現(xiàn)減阻。4.1.3 溝槽面對(duì)湍流邊界層流動(dòng)特征的影響a.流向平均速度的變化大多數(shù)研究者發(fā)現(xiàn)具有減阻(或增阻) 效應(yīng)的溝槽面湍流邊界層流場(chǎng)速度分布與光滑板一樣仍然遵守“標(biāo)準(zhǔn)速度律”,只是對(duì)數(shù)區(qū)要上抬(或下降) ,即:U + = A

25、ln y + + B 中的B 增加(或減小)了(其中,U + = u/ u * 、y + = yu * /分別為無量綱化速度及橫向距離; A 、B 在平板流動(dòng)中為卡門常數(shù)) 。王晉軍1 ,Choi7 , Tang12 ,Hooshmand23 ,Choi24都發(fā)現(xiàn)減阻溝槽面的對(duì)數(shù)區(qū)明顯上抬,說明溝槽面湍流邊界層的粘性底層要比光滑面的厚。這一現(xiàn)象與長鏈聚合物減阻劑所形成的邊界層很相似25-26 。但Bacher & Smith19的流動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)溝槽面的平均速度分布與光滑面在總體上很相似,兩者之間的差別很小。為了深入了解溝槽內(nèi)部的流動(dòng)特性, Seong-Ryong Vukoslavc

26、evic20和Park27等人分別選用大尺度溝槽進(jìn)行研究。他們發(fā)現(xiàn)在相同流動(dòng)條件下峰脊處的速度梯度u/ 9y 要比光滑面上同一位置的稍大,這表明當(dāng)?shù)丶羟袘?yīng)力較大;而溝底處的情況則相反。Yuji Suzuki28發(fā)現(xiàn)當(dāng)槽間距s+ = 15 時(shí),平均速度在展向分布的不均勻性限定在( y+ - y+P ) <9 (式中y+P 為溝槽峰處的無量綱高度) 范圍內(nèi),溝槽面對(duì)平均速度分布的影響只限定在粘性底層;而當(dāng)時(shí)s + = 31 過渡層也受到了影響,對(duì)數(shù)廓線較比光滑面的略有下移,這一結(jié)果與Choi7對(duì)s+ = 40 的溝槽面進(jìn)行數(shù)值模擬所得的結(jié)果相一致。b.溝槽面對(duì)湍流脈動(dòng)強(qiáng)度的影響湍流脈動(dòng)的強(qiáng)弱

27、與湍流所致的混合程度密切相關(guān)。具有減阻效應(yīng)的溝槽面應(yīng)當(dāng)能夠有效降低近壁區(qū)湍流脈動(dòng)強(qiáng)度以抑制湍流的“旺盛”。Debisschop& Nieuwstadt 17發(fā)現(xiàn)流向速度脈動(dòng)強(qiáng)度只在近壁處才受到溝槽的影響,而在“外部”,溝槽面與光滑面的流向速度脈動(dòng)強(qiáng)度則大致相同。他們認(rèn)為近壁區(qū)湍流度的降低水平與摩擦速度的降低成正比。這一結(jié)果還表明近壁處的湍流度測(cè)量可以作為測(cè)量溝槽減阻的替代方法。Choi29 ,Vukoslavcevic20也通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)溝槽近壁區(qū)特別是溝底處的湍流脈動(dòng)強(qiáng)度顯著地減弱。但Bacher & Smith19 以及Hoosh2mand23卻發(fā)現(xiàn)溝槽面上流向速度脈動(dòng)強(qiáng)度沒

28、有多少改變。這可能是由于他們?cè)诓捎脽峋€測(cè)量時(shí)離壁面不足夠近的原因。王晉軍1則發(fā)現(xiàn):雖然溝槽面的流向脈動(dòng)強(qiáng)度基本沒有變化,但最大值所對(duì)應(yīng)的位置卻較光滑面降低了。c.高階矩特性湍流的高階矩特性是指正則化的三階矩和四階矩,分別被稱為偏斜因子和平坦因子。用此兩者來判斷流向速度脈動(dòng)的概率密度函數(shù)p ( u) ( u為流向速度脈動(dòng)) 于高斯分布的軸對(duì)稱性和形狀變化,并以此來研究邊界層內(nèi)的流動(dòng)變化。Choi7 對(duì)V 字形溝槽進(jìn)行了直接數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn):偏斜因子及平坦因子在y + > 30 的區(qū)域內(nèi)基本與光滑面一致。但在溝槽附近卻發(fā)生顯著的改變。u的偏斜因子及平坦因子在槽內(nèi)減小而在峰脊處則增加了。Vukos

29、lavcevic20 在研究大尺度V 字形溝槽時(shí)發(fā)現(xiàn):在槽內(nèi)高度約一半的位置處( y/0. 02 ,式中為湍流邊界層厚度,mm) u的偏斜因子和平坦因子變得很大(正值) ?？紤]到該處的湍流脈動(dòng)強(qiáng)度很小,他認(rèn)為該處有少量但帶有強(qiáng)脈動(dòng)的流體微團(tuán)從較高流層“沖擊”下來。Bacher & Smith19 , Hoosh2mand23 ,王晉軍1 卻發(fā)現(xiàn)溝槽面對(duì)近壁區(qū)的偏斜因子及平坦因子沒有影響。這個(gè)差別在于文獻(xiàn) 1 ,23 中測(cè)量區(qū)域只局限在y + > 10 的區(qū)域。4.2 肋條減阻自從20 世紀(jì)70 年代NASA 蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)具有順流向微小肋條的表面( 以下簡稱肋條表面) 能有效地

30、降低壁面摩阻, 突破了表面越光滑阻力越小的傳統(tǒng)思維方式, 肋條減阻成為湍流減阻技術(shù)中的研究焦點(diǎn)。4.2.1 減阻效能研究近些年, 為了最大限度的實(shí)現(xiàn)減阻, 人們對(duì)肋條形狀進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)。柏林的Bechert 和Brused 等利用一種測(cè)量阻力精確度可達(dá) 0. 3% 的油管對(duì)各種肋條表面的減阻效能進(jìn)行了研究 1。他們測(cè)試了多種形狀的肋條, 包括三角形的, 半圓形的、刃形的, 以及三維的肋條。結(jié)果表明,V 形肋條減阻效果最好, 最大可得到10%的減阻幅度。Bechert 和他的同事設(shè)計(jì)并測(cè)試了刃形肋條與噴射狀狹長切口復(fù)合的表面。他們?cè)O(shè)想通過湍流邊界層的壓力波動(dòng)驅(qū)動(dòng)流體在小的切口里如同噴射

31、般的進(jìn)出, 從而產(chǎn)生推力, 進(jìn)一步增大減阻幅度。最終利用這種形狀的肋條, 測(cè)得的最大減阻幅度將近9%。米蘭大學(xué)的Lunchini等對(duì)肋條的形狀優(yōu)化進(jìn)行了技術(shù)和理論上的探討 2 。他們認(rèn)為通過最大化肋條順流向的突起高度與其沿橫向流動(dòng)方向的突起高度之間的差距, 就可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化減阻。因?yàn)檫@樣就能使肋條對(duì)橫向流動(dòng)的阻抗最大而對(duì)縱向流動(dòng)的阻抗最小。北京航空航天大學(xué)的楊弘煒等、提出了一種菱形網(wǎng)狀的小圓坑點(diǎn)陣結(jié)構(gòu), 水洞實(shí)驗(yàn)表明這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于NACA-16012 翼型表面的減阻效果最高可達(dá)22% 3 。此外, 人們還研究了壓力梯度對(duì)肋條表面減阻效能的影響。荷蘭代夫特科技大學(xué)的DeBisschop 和Nieu

32、wstadt 通過直接測(cè)量阻力和速度, 發(fā)現(xiàn)在逆壓力梯度的湍流邊界層中, 采用肋條表面可以得到高達(dá)13%的減阻 4 。這進(jìn)一步驗(yàn)證了Choi 先前的研究結(jié)果。他曾對(duì)肋條面在不同壓力梯度條件下湍流邊界層中的速度剖面進(jìn)行過詳細(xì)的測(cè)量。4.2.2 肋條對(duì)邊界層的影響研究為了利用肋條控制湍流和層流邊界層, 人們進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究。Choi 和Orchard 在諾丁漢姆大學(xué)的低速邊界層流道中進(jìn)行試驗(yàn), 研究了熱的肋條表面的傳熱加強(qiáng)以及肋條的轉(zhuǎn)捩延遲作用 5 。結(jié)果顯示在轉(zhuǎn)捩的非線性階段, 動(dòng)量厚度上升速率伴隨著肋條面上湍流強(qiáng)度的減弱而減小。從而表明肋條面對(duì)活躍的層流邊界層向湍流的轉(zhuǎn)捩有明顯的延遲作用。

33、俄羅斯理論與應(yīng)用力學(xué)學(xué)會(huì)也進(jìn)行了肋條面層流邊界層的實(shí)驗(yàn)研究 6 。結(jié)果表明肋條面能使A- 渦轉(zhuǎn)化為湍流斑點(diǎn)的過程延遲, 并能使轉(zhuǎn)捩點(diǎn)向下游移動(dòng)。在轉(zhuǎn)捩的線性階段采用肋條面時(shí), T-S波的生長速率的增加與Luchini. 的數(shù)值計(jì)算結(jié)果符合得很好。Boiko 等則進(jìn)行了肋條面控制三維流動(dòng)轉(zhuǎn)捩的效果試驗(yàn) 7 。他通過用擾流器激勵(lì)后掠翼邊界層的流向渦進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明肋條能抑制三維邊界層層流向湍流的轉(zhuǎn)捩發(fā)展。Grek 等的試驗(yàn)還證明肋條能充分影響單一粗糙單元后部尾流處漩渦的發(fā)展方式, 從而導(dǎo)致湍流的轉(zhuǎn)捩延遲。也有學(xué)者對(duì)肋條表面的猝發(fā)特性和條帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。已有的研究結(jié)果表明肋條表面的湍流猝發(fā)強(qiáng)度低

34、, 但對(duì)于肋條表面湍流猝發(fā)頻率、條帶結(jié)構(gòu)的影響如何, 目前還沒有一個(gè)較為肯定的結(jié)論, 不同學(xué)者仍有不同的看法。4.2.3 減阻機(jī)理研究近些年, 為了有效的設(shè)計(jì)減阻表面, 人們的注意力集中到肋條表面湍流減阻機(jī)理的研究。許多學(xué)者從不同的角度對(duì)減阻機(jī)理進(jìn)行了探討。Gallagher 和Thomas 認(rèn)為是由粘性底層厚度的增加造成的; Bacher和Smith 歸結(jié)為反向旋轉(zhuǎn)的流向渦與肋條尖頂形成的小的二次渦的相互作用, 認(rèn)為二次渦減弱了與低速帶條相聯(lián)系的流向渦, 并在肋條之間的溝槽內(nèi)保留低速流體; 流動(dòng)顯示結(jié)果表明, 注入的染色液的展向擴(kuò)散限于肋間溝槽內(nèi), 相鄰溝槽間的相互作用較弱。Starling

35、 和Choi 認(rèn)為最主要的是縱向凹槽與馬蹄形渦相互作用并阻礙漩渦的進(jìn)一步發(fā)展, 從而減低了湍能的耗損, 實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)捩延遲和湍流減阻。肋間溝槽限制了流向渦的展向運(yùn)動(dòng), 引起壁面猝發(fā)變?nèi)? 從而降低了湍能耗損, 導(dǎo)致了壁面摩阻的減少 8 。Walsh 認(rèn)為狹窄的V 型肋間溝槽的溝谷保留有低摩阻的低速安靜流速因而降低了總的阻力。這一點(diǎn)被Park 和Wallace 對(duì)肋條側(cè)面摩阻的精細(xì)測(cè)量所證實(shí), 他們得到側(cè)壁上面1/ 4 部分的摩阻與光滑面大致相等, 其余3/ 4 部分比光滑面小, 從而導(dǎo)致了總摩阻的降低 9 。Vukoslavcevic 等通過測(cè)量肋條尖頂和溝槽低谷垂線上的流速分布得到在尖頂處摩阻增

36、加85%, 而在低谷摩阻降低很多。Schwarz-vanManen 等得到了類似的結(jié)果。由于缺乏對(duì)低速條帶結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的和細(xì)致的研究, 低速帶條的變化與減阻的關(guān)系還不太清楚。4.2.4 應(yīng)用研究大量的研究工作表明了肋條表面減阻的可靠性和可應(yīng)用性, 國外的研究已進(jìn)入工程實(shí)用階段, 空中客車將A320 試驗(yàn)機(jī)表面積的約70% 貼上肋條薄膜, 達(dá)到了節(jié)油1% 2% 的效果。NASA 蘭利中心對(duì)Learjet 型飛機(jī)的飛行試驗(yàn)結(jié)果減阻約在6% 左右。在國內(nèi), 李育斌等在1: 12 的運(yùn)七模型具有湍流流動(dòng)的區(qū)域順流向粘貼肋條薄膜后, 試驗(yàn)表明可減小飛機(jī)阻力5% 8% 10 。4.3 粘性減阻粘性減阻就是通過

37、或從外部改變流體邊界條件或從內(nèi)部改變其邊界條件, 依靠改變邊界材料的物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)或在流動(dòng)的近壁區(qū)注入物理、化學(xué)、力學(xué)性質(zhì)不同的氣體、液體來改變近壁區(qū)流體的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì), 從而達(dá)到減阻目的的技術(shù)。4.3.1 柔順壁減阻自從20 世紀(jì)60 年代Kramer 利用/ 人造海豚皮0進(jìn)行柔順壁湍流減阻試驗(yàn)以后, 許多學(xué)者深入進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。沃里克大學(xué)的Lucey 等研究了柔順壁的轉(zhuǎn)捩延遲作用 11 。從理論上證明Kramer柔順壁具有充分的轉(zhuǎn)捩延遲作用。他們的數(shù)值模擬結(jié)果與Gaster 在1987 年進(jìn)行的一系列水池拖曳實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。國內(nèi)南京航空航天大學(xué)的張慶利等進(jìn)行了用主動(dòng)柔順壁運(yùn)

38、動(dòng)控制邊界層轉(zhuǎn)捩的實(shí)驗(yàn)研究 12 。結(jié)果表明邊界層轉(zhuǎn)捩過程中的擾動(dòng)即使已發(fā)展到非線性階段, 也能被主動(dòng)柔順壁的運(yùn)動(dòng)所控制。近期Cooper 和Carpanter 致力于研究優(yōu)化柔順涂層以達(dá)到最大程度的減低表面摩擦阻力, 例如采用復(fù)合柔順嵌板以及各向異性的涂層等 13 。他們還研究了柔順性轉(zhuǎn)盤對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩的影響。結(jié)果表明柔順壁能減弱第一類無粘性不穩(wěn)定性, 而對(duì)第二類粘性不穩(wěn)定性則只有當(dāng)壁的柔順性增加到一定程度, 才能起到減弱的作用。盡管試驗(yàn)結(jié)果沒有確定的表明采用柔順性轉(zhuǎn)盤臨界雷諾數(shù)會(huì)增大, 但有跡象表明通過增加壁的柔順性就能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。俄羅斯學(xué)者Kulick 和Semonov 研究證明柔順壁能有

39、效的降低表面摩阻和流動(dòng)噪聲, 降幅可達(dá)到17% 14 。諾丁漢姆大學(xué)的Choi 對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了一系列的驗(yàn)證試驗(yàn) 15 。結(jié)果表明其中一種柔順壁在整個(gè)測(cè)試流速范圍內(nèi), 湍流減阻可達(dá)7%, 相應(yīng)的柔順壁下游的表面摩擦力下降7% , 壁壓波動(dòng)強(qiáng)度減弱19%.結(jié)果還表明整個(gè)邊界層的湍流強(qiáng)度減弱了5% 。此外, 對(duì)數(shù)速度分布圖出現(xiàn)了明顯的上升趨勢(shì), 表明由于柔順壁的作用使得粘性底層變厚, 邊界面上流速梯度減小, 從而減小邊界面上的剪力, 也減小了由于剪力做功而發(fā)散的能量, 實(shí)現(xiàn)了減阻。4.3.2 聚合物添加劑減阻在牛頓流體中溶入少量長鏈高分子添加劑, 可以大幅度的降低流體在湍流區(qū)的運(yùn)動(dòng)阻力, 減緩?fù)牧鞯?/p>

40、發(fā)生。它最早是Toms1947 年在觀察管內(nèi)流動(dòng)聚合物機(jī)械降解時(shí)發(fā)現(xiàn)的, 故又稱Tom 效應(yīng)。聚合物添加劑減阻是通過從液體內(nèi)側(cè)邊界創(chuàng)造條件, 以實(shí)現(xiàn)減阻。長鏈高分子聚合物添加劑能導(dǎo)致減阻的共同特點(diǎn)是: 其額定分子量數(shù)量級(jí)都是高達(dá)百萬的。學(xué)者們對(duì)于它的減阻機(jī)理進(jìn)行了大量的研究。Baron 等采用有限可伸長的柔性啞鈴狀模型對(duì)有聚合物添加劑的邊界層進(jìn)行了直接數(shù)值模擬計(jì)算 16 。結(jié)果表明聚合物添加劑能夠影響流向渦的強(qiáng)度, 增大低速帶條的間距, 從而減小的湍流剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了減阻。Yarin 等則歸結(jié)于聚合物稀溶液的高粘度阻礙了渦的擴(kuò)展, 減低了湍流的猝發(fā)頻率, 使得流速更加平穩(wěn)從而導(dǎo)致了減阻。荷蘭代夫

41、特科技大學(xué)的Den Toonder 對(duì)有聚合物添加劑的湍流管流進(jìn)行了直接數(shù)值模擬以及激光多普勒風(fēng)速測(cè)量法試驗(yàn), 結(jié)果顯示由聚合物擴(kuò)散引起的各項(xiàng)異性的粘性應(yīng)力是導(dǎo)致減阻的主要因素。西安交大王海林等用基于單參數(shù)的橢球珠簧二元模型, 分析了減阻流中聚合物分子的動(dòng)力學(xué)行為, 結(jié)果表明由于聚合物分子的變形效應(yīng), 其旋轉(zhuǎn)頻率隨著剪切率的增大而減小, 從而提高了流體的穩(wěn)定性, 利于減阻 17 。聚合物添加劑減阻由于方便實(shí)現(xiàn), 在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其用在原油的輸送中, 可減少長輸送管線的中間泵站, 節(jié)約能源和設(shè)備, 提高流量和縮短船只的在港停泊時(shí)間。例如美國的一條海底輸油管線, 直徑0. 356m,

42、 年輸能力800 萬桶, 添加聚合物減阻劑后, 減阻率達(dá)26%, 輸量提高了18% ,基本取消了駁船?，F(xiàn)在世界各國幾十個(gè)地區(qū)的30多條管線的原油或成品油輸送使用了聚合物添加劑。此外, 在醫(yī)學(xué)上可以用來減少血液流動(dòng)的粘性摩阻, 增大血流量, 以治療冠心病。在水射流技術(shù)方面, 也可采用聚合物添加劑, 以提高高速水射流的出口動(dòng)量、切割能力、射噴量和射程。4.3.3 微氣泡降阻早在18 世紀(jì)人們就開始在船殼和水的邊界之間注入一層空氣, 減小其表面摩擦力。但是, 由于氣液交界面的不穩(wěn)定性, 這種設(shè)想在實(shí)際中很難應(yīng)用。微氣泡減阻就是基于這種設(shè)想提出來的, 它有效的避開了氣液交界面的不穩(wěn)定問題。蘇聯(lián)、美國和

43、日本的許多學(xué)者都采用了多孔壁面噴氣的方法進(jìn)行微氣泡減阻試驗(yàn) 18 。他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 微氣泡能夠降低湍流邊界層的表面摩擦阻力, 局部阻力降幅可達(dá)80% 90% 。但是, 上述試驗(yàn)結(jié)果在微氣泡含量、氣流噴射孔孔徑以及水速對(duì)減阻效果的影響方面, 不僅數(shù)據(jù)不一, 而且存在許多矛盾之處。國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的宋保維等研究了邊界層中的微氣泡對(duì)平板表面摩擦阻力的影響,得到了60% 左右的減阻。他們認(rèn)為微氣泡減阻的機(jī)理在于: 位于邊界層內(nèi)的微氣泡本身具有變形能,它把剪切力作用于流體的一部分功轉(zhuǎn)為變形能而儲(chǔ)存起來, 從而減少了能量損耗, 導(dǎo)致了減阻。4.4 仿生減阻海洋生物長期生活在水中, 經(jīng)過漫長的歲月,

44、進(jìn)化出了效率很高的游動(dòng)機(jī)構(gòu), 其表面摩擦阻力也相當(dāng)?shù)牡?。因此通過仿生學(xué)的研究, 設(shè)計(jì)出減阻效果更好的結(jié)構(gòu), 一直是學(xué)者很感興趣的問題。企鵝具有很高的游泳效率, 有人做過計(jì)算, 假定1kg 的南極磷蝦的能量為3700kJ, 1kg 的南極磷蝦食物就能支持一只4kg 重的Adelie 企鵝在寒冷的冰洋水里游200km。柏林技術(shù)大學(xué)的Bannasch 通過在水池中測(cè)試與活體企鵝尺寸一致的模型, 進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。發(fā)現(xiàn)其中一種基于三種中等大小企鵝的軸對(duì)稱型的形狀模型在試驗(yàn)中具有很低的層流摩擦阻力。當(dāng)轉(zhuǎn)捩在身體長度的5% 處發(fā)生時(shí), 其表面摩擦系數(shù)比湍流中相同長度平板的還要低, 同時(shí)它隨著雷諾數(shù)的增加以更

45、快的速度減小。他們認(rèn)為粘性阻力的減小是由于壓力以及速度分布沿著波浪形軀體的復(fù)合曲面逐步發(fā)展的結(jié)果。由于等量的流體加速和減速, 沿著企鵝軀干的前端和后端的突起部分的壓力梯度幾乎是恒定的, 因而流速保持相同, 在企鵝身體介入部分由凸曲面變?yōu)榘记嫣幍膲毫σ矌缀跏呛愣ú蛔兊?。即使是剛性模? 邊界層湍流速度波動(dòng)依然保持在較低的水平。企鵝身體的波狀曲面以及柔性壁是它具有極好游動(dòng)效率的主要原因。他還發(fā)現(xiàn), 在多數(shù)情況下, 鳥類羽毛表面都能觀測(cè)到波長為2 3cm 的規(guī)則的橫波。Bechert 對(duì)一種模擬鳥類羽毛的被動(dòng)流體分離控制方法進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)試。在巡游環(huán)境中, 對(duì)層流翼部分的活動(dòng)襟翼的測(cè)試結(jié)果表明機(jī)翼上

46、的最大升力增加了20% 而未發(fā)現(xiàn)有負(fù)面影響。一架電動(dòng)滑翔機(jī)飛行測(cè)試紀(jì)錄的阻力數(shù)據(jù)也證明了這一點(diǎn)。Beche 還在柏林的油管中測(cè)試了仿鯊魚皮的湍流摩擦阻力。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中, 他仔細(xì)制造了800 個(gè)獨(dú)立可動(dòng)的鱗片, 每個(gè)都用可調(diào)整的彈簧固定。這樣就可以保證每一個(gè)人造鱗片都能自由運(yùn)動(dòng), 自由的與邊界層的近壁流場(chǎng)相互作用。由于優(yōu)化此試驗(yàn)中的全部參數(shù)顯然十分困難, Bechert 和助手們只得到3% 的降阻。他們還模擬水獺和海豹的多毛的表皮,并進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)毛發(fā)直接安放在平板上或安放在平板附近時(shí), 僅得到1.5% 的減阻。4.5 壁面振動(dòng)減阻壁面振動(dòng)減阻是20 世紀(jì)90 年代才出現(xiàn)的一種新方法。一些學(xué)者利

47、用DNS( 直接數(shù)值模擬) 研究提出:壁面振動(dòng)可以減小湍流和表面摩擦力。美國伊利諾斯大學(xué)的Mao Zhuoxiong 等首先進(jìn)行了大振幅壁面振動(dòng)減阻試驗(yàn), 在雷諾數(shù)9700 19200 的范圍里, 得到了10% 15% 的減阻 19 。Laadhari 等為了驗(yàn)證DNS 結(jié)果, 進(jìn)行試驗(yàn)研究了壁面順翼展方向振動(dòng)時(shí)湍流邊界層的情況。他利用熱線法進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試,結(jié)果表明靠近振動(dòng)壁面處湍流邊界層的平均速度梯度減小, 湍流強(qiáng)度減弱, 從而驗(yàn)證了壁面振動(dòng)可以減低湍流邊界層的表面摩擦阻力。Choi 等在諾丁漢姆大學(xué)采用熱線法和流場(chǎng)顯示法對(duì)壁面順翼展方向振動(dòng)時(shí)湍流邊界層的結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行了深入研究 20 。結(jié)果顯示由于壁面振動(dòng), 風(fēng)速對(duì)數(shù)廓線上升而湍流強(qiáng)度減弱。當(dāng)壁面振動(dòng)與無因次壁面速度結(jié)合優(yōu)化時(shí), 表面摩擦力在壁面振動(dòng)起始點(diǎn)下游約五倍于邊界層厚度處可以下降將近45% 。他們認(rèn)為降阻機(jī)理與由振動(dòng)壁面上周期性的Stokes 層而產(chǎn)生的順翼展方向的渦旋狀態(tài)緊密相關(guān)。因?yàn)樗谡承缘讓訙p低了