水下湍流减阻技术研究进展

水下湍流减阻技术作为提升航行器航速、实现节能减排的有效手段,受到了学者的广泛关注。迄今,根据减阻机理的不同形成了多样化的减阻技术,依据能否对减阻行为进行调控可分为主动和被动减阻技术。从概述水下湍流减阻技术的研究现状出发,梳理了各项减阻技术从兴起到当前研究热点的发展脉络。系统阐述了各减阻技术对壁面湍流流场的影响机制,并分类别深入分析了其内在减阻机理,如结构减阻的涡干扰、超疏水减阻的滑移,聚合物高分子链的黏弹性、超空泡的界面转换、柔顺壁面的缓冲吸振、微气泡改变流场理化特性和壁面振动破坏拟序结构等减阻机制。论述了各项减阻技术的研究进展,比较了各项技术的发展趋势和不足,如仿生减阻结构无需提供额外的能量就能维持长久的减阻效果,但对复杂多变的流场环境难以维持较高的减阻率;微气泡减阻能大幅降低表面阻力,但存在能耗较高等问题。在此基础上,总结概括了各项减阻技术的应用场景,并从技术集成的角度,展望了水下湍流减阻技术的发展之路。

边界层控制法减阻技术研究进展

船舶及水下航行器减阻技术一直备受关注,通过控制其壁面边界层的流态是实现减阻的有效途径之一。该文对当前世界范围内边界层控制法减阻技术进行了整理和归纳,着重介绍了肋条减阻、柔顺壁减阻和疏水减阻3种减阻技术的含义和研究现状,并分别对其减阻机理进行了系统分析,同时简要介绍了气幕减阻、壁面吸入法以及壁面加热和冷却法等其他减阻技术。最后,针对目前研究中存在的不足,提出应重视减阻机理研究、多种减阻方式相结合以及理论研究与工程应用相结合的几点建议。

一种具有超长侧链的疏水缔合型聚合物的合成及减阻性能评价

采用曲拉通和丙烯酰氯醇解合成一种水溶性可聚合单体,仅使用水作为溶剂合成一种具有超长侧链的疏水缔合型聚丙烯酰胺(HAPAM)作为减阻剂,通过分子动力学模拟方法对比了聚丙烯酰胺、部分水解聚丙烯酰胺和合成的具有超长侧链的HAPAM与水的相互作用,并分别以去离子水和盐水配液改变HAPAM含量,测量不同HAPAM含量的滑溜水在不同流速下的摩阻,并计算相应的减阻率。实验结果表明,具有超长侧链的HAPAM与水的相互作用最强;减阻率随流速的增加而增大,HAPAM含量越高,减阻率达到70%所需的流速越高,减阻率最高可达80%以上;盐对滑溜水的减阻率和黏度有显著负面影响,需提高HAPAM含量才能获得理想的减阻率;SEM表征结果显示,HAPAM在清水和盐水中的分布形态均为网状结构。

船舶气层减阻技术研究综述

随着全球生态环境变化的要求以及我国“碳达峰、碳中和”目标的提出,船舶气层减阻技术作为船舶运输手段中一种有效的节能、降碳手段,近年来备受关注。文章阐述了气层减阻技术中气层的形成过程以及工作原理;从模型试验以及理论与数值计算方面分析了船舶气层减阻技术的发展和研究现状;列举分析了国内外部分研究单位的应用实例和实际效果;针对研究和应用现状,对船舶气层减阻技术面对的问题和未来发展方向进行了展望。

非常规油气开采压裂用减阻剂的研究现状及展望

为降低压裂施工摩阻,提高非常规储层的压裂改造效果,在系统调研国内外关于压裂用减阻剂文献的基础上,综述了减阻剂的类型和减阻机理,分析了减阻性能的影响因素,介绍了减阻剂的现场应用情况和减阻剂主要存在的问题,并提出了减阻剂未来的发展方向。结果表明:目前常用的减阻剂主要存在成本高、性能不稳定、减阻机理不明确的问题;低成本、对储层伤害低、减阻性能高效的多功能型纳米复合减阻剂将是未来减阻剂研究的重点和热点。通过对减阻剂的全面研究,可为目前减阻剂性能的提升、新型减阻剂的研发和非常规油气的开采提供可行性的帮助。

壁湍流的复合减阻及能流分析

湍流减阻的技术与机理具有重要的科学和工程意义。近年来,研究者对壁湍流的减阻策略和机理开展了多方位探索。本文回顾了摩阻的能流分析框架,该框架将摩阻系数和能量耗散率定量地结合了起来,清晰地给出了驱动能量和控制能量在相干、随机和平均流动中的耗散原理,该框架的分析思路对复杂控制情况仍然适用;介绍了展向对吹射流引发的大尺度环流减阻方法,该方法可有效地完成速度条带的卷并,抑制流向涡的生成,减弱近壁湍流强度,在摩擦雷诺数为180的槽道流中可达到最佳约19%的减阻率,实现了通过输入相干能量减小湍流随机耗散的控制目标;展示了结合大尺度环流和壁面吹吸气的复合控制方法的优势,该方法实现了远超单一控制方法的减阻效果,在摩擦雷诺数为180时达到最佳约33%的减阻率和32%的净能量节省率。在前人研究的基础上,本文检验了在含肋壁面上施加大尺度环流控制的复合方案,验证了大尺度环流控制的鲁棒性,发现壁面小肋能够在一定程度上减小大尺度环流二次涡的影响,从而有效提升壁面小肋的减阻效率。

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析。重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状。分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理。此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术。展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景。

某SUV气动减阻优化及其流场机制

为了提高整车燃油经济性,本文以某款SUV车型为研究对象,将仿真与试验相结合改善汽车行驶过程中的气动阻力系数。首先通过风洞试验确定对整车气动阻力有重要影响的区域或部件,其次对气动阻力系数贡献值较大的部件或区域进行减阻优化。结果表明,前轮阻风板、尾灯和尾翼对整车气动阻力系数贡献值较大。对前轮阻风板的改型,有效降低正压区面积以及减弱车轮干扰阻力;对尾灯和尾翼的优化设计,改善了尾部负压区,缩短了分离流在后窗上部的再附着的距离。基于本征正交分解方法进行局部流场信息的提取和分析可知,1阶与2阶模态主要构成了该SUV尾流场的关键流态。经试验与仿真验证,相比于初始方案,气动优化组合设计减阻率可达7.5%。本文为新一代SUV改型与升级换代提供了理论基础与技术支持。

湍流减阻研究的进展与现状

综述了肋条、柔顺壁、聚合物添加剂、微气泡、仿生减阻、壁面振动等主要湍流减阻技术最近的研究成果和现状 。

火箭煤油减阻剂的研究进展

在火箭煤油中加入减阻剂是提高其在管道中的流动能力和降低能耗的有效手段,具有成本低、工艺简单、效果显著和可靠性高等特点。综述了减阻剂的种类、添加量、相对分子量、管径、流体流速、雷诺数、流体温度和热流密度等工况参数对火箭煤油减阻和换热特性的影响,从分子动力学模拟和计算流体动力学模拟两个方面介绍了火箭煤油减阻剂对减阻和换热数值模拟的研究进展,实验研究和数值模拟结果都指出了减阻与传热恶化相矛盾的核心科学问题亟待解决,总结了黏弹性聚合物的减阻率提升机制、聚合物分子断裂和解聚的减阻率退化机制,进一步从实验研究、数值模拟和机理探究这3个角度指出减阻研究的发展方向,期望为新型高效减阻剂的开发和应用提供参考。

工业用减阻剂对射流泵性能影响的试验研究

为探究减阻剂对射流泵性能的影响,进行了添加聚氧化乙烯(PEO)与阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)2种减阻剂对射流泵性能影响的试验研究.结果表明:减阻剂的质量分数对射流泵性能的变化有决定性的作用,质量分数为(0,0.10‰]时,2种减阻剂对射流泵性能无明显影响;质量分数为(0.10‰,0.25‰]时,部分工况的射流泵性能甚至出现下降;随着质量分数提高,射流泵性能均有一定的提升,质量分数为1.00‰~1.25‰时,射流泵性能提升达到最大,效率最大可提高6.15%;质量分数进一步提高,射流泵性能提升的幅度有所下降;相同质量分数下PEO提升射流泵性能的效果要优于CPAM;减阻剂对2个不同面积比的射流泵性能在大流量工况下提升效果更为明显,但在极限工况时,剧烈空化影响了减阻剂的效果,导致提升幅度有限;PEO在面积比1.78的射流泵中的减阻效果强于在面积比4.00的射流泵中的减阻效果,而CPAM在面积比1.78的射流泵中的减阻效果弱于在面积比4.00的射流泵中的减阻效果.

高超声速飞行器减阻杆-双盘-槽道组合构型减阻防热特性研究

针对高超声速飞行器减阻防热问题,提出了一种减阻杆头部开槽进气、中部侧向排气的减阻杆-双盘-槽道组合构型。在飞行高度30 km、来流马赫数6条件下,基于SST k-ω湍流模型,采用有限体积法求解了二维轴对称雷诺平均N-S方程,对组合构型的流场进行了数值模拟,并分析了其减阻防热特性。相比减阻杆-单盘构型,减阻杆-双盘构型减阻防热效果更好,而减阻杆-双盘-槽道构型可以进一步提高减阻防热效果。进行了组合构型的影响因素分析,数值仿真结果表明,在研究参数范围内,侧向排气孔靠近两个气动盘中间位置、第二个气动盘直径较大的构型减阻防热总体效果较好。相比减阻杆-单盘构型,较优构型的总阻力系数降低了24.70%,钝体壁面斯坦顿数峰值降低了53.63%。

气-液界面位置对微凹槽结构内两相流场和减阻特性的影响研究

在超疏水表面增加微凹槽结构,有利于在表面张力作用下留存部分空气形成气-液界面,从而大大降低流动阻力,在流动减阻方面展示了巨大的应用潜力.然而,由于流体剪切、空气溶解等影响,微凹槽内的空气容易发生损耗,导致气-液界面位置向凹槽底部移动,进而降低减阻效果.为了揭示微凹槽内空气损耗后气-液界面位置对流动减阻效果的影响,开展了显微高速摄影实验和计算流体动力学数值模拟,研究了微凹槽内不同气-液界面位置对两相流场特性的影响,并分析了等效滑移长度和减阻率的变化规律.结果表明,随着气-液界面位置的下移,气-液界面上方的流体从附着流转变为分离涡流,空气内部的涡流方向也从顺时针转变为逆时针.形成分离涡的临界空气损耗率为h_(c)^(*)=0.3~0.4,减阻率从12%降低到5%.界面下降后雷诺数Re、微通道宽度W和凹槽长度占比δ对微凹槽减阻性能也有重要影响,研究结果有助于深化对超疏水表面微凹槽两相流动减阻问题的认识,为微凹槽结构设计及应用提供重要的理论指导.

气体润滑减阻研究综述

在我国“碳达峰、碳中和”战略背景下,气体润滑减阻作为一种流动控制节能与降碳方法,可有效降低船舶航行阻力,对我国船舶及航运业的低碳发展意义重大。本文介绍了气体润滑减阻研究的国内外背景及意义,阐述了气体润滑减阻的定义及分类方式,特别是提出了基于气液两相界面形态与减阻机理的离散气泡减阻和连续气层减阻分类方式,并在此基础上分别梳理了离散气泡减阻和连续气层减阻在减阻特性、减阻机理、两相流态及其影响因素等方面的进展情况,总结并展望了气体润滑减阻的研究现状和该领域的未来发展趋势。

逆向射流对高超声速升力体构型的减阻特性研究

在高超声速飞行过程中,飞行器往往会面临巨大的阻力,严重限制了其飞行性能,并增加了飞行器表面的热负荷和材料应力。针对这一问题,通过数值模拟系统地分析了射流孔数量、位置和攻角对升力体减阻性能的影响。研究结果表明,随着射流孔数量的增加,整体减阻率显著提高,有效降低了升力体头部的高压区域,但也导致四周流场的不稳定性增强。射流孔位置对激波脱体距离和“气膜”厚度具有重要影响。此外,增大攻角会导致整体减阻率下降,但对局部减阻率影响较小,同时会增加上下壁面之间的压差。进一步比较研究发现,在20 km和55 km高空条件下,这3种因素对减阻性能的影响规律保持一致。研究结果为设计高效减阻方案提供了重要参考。

柔性表皮与鲨鱼体表粘液耦合作用减阻效果数值模拟

本文采用粘流数值模拟方法,通过Workbench搭建双向流固耦合求解器,对粘液析出的柔性平板减阻效果进行数值模拟研究。结果表明,耦合粘液析出与柔性覆盖层可进一步提升减阻效果。粘液与柔性平板耦合之后,起到了进一步减阻的作用。从减阻效果来说,粘液与柔性平板的减阻技术可行,能在粘液减阻基础上进一步减少16.3%~21.20%。

输油管道用聚α-烯烃类减阻剂的研究进展

聚α-烯烃类减阻剂是一种广泛用于输油管道中的化学添加剂,属于油溶性减阻剂,只需要添加很少的量(一般以ppm计量),就可以有效减小油品在管道中的阻力,达到减阻增输的作用,从而显著提高了经济效益。文章中主要对于近年来聚α-烯烃类减阻剂的减阻机理、制备工艺(主要包括聚合方式和后处理方式)、以及主要的专利制备技术的研究进展进行了介绍,并对其在未来的发展前景进行了预测。

侧喷射流的仿生鱼表面减阻优化研究

为了研究射流孔结构参数对水下射流减阻的影响,以金枪鱼为仿生对象建立仿生鱼模型,通过模拟鲨鱼鳃在仿生鱼模型侧面添加射流孔建立了射流模型.采用数值模拟方法,分析主流场速度及射流孔的形状、高度、位置、高宽比等单因素对仿生鱼表面减阻的影响规律.通过Design-expert软件对射流孔的结构参数进行响应面多目标参数优化,进一步分析了不同射流孔的结构参数在相互作用时对仿生鱼表面减阻的影响,最终确定了在距离鱼首5 mm处添加形状为后三角形,高度为6 mm,高宽比为4的射流孔时能够达到比较理想的减阻效果,此时模型的总阻力为2.51021 N,相应的减阻率为6.49%.本文通过深入分析射流孔结构参数的影响,为水下射流减阻技术提供了重要的理论基础和实验指导,为仿生技术在水下流体力学领域的应用拓展了新的可能性.

高速列车转向架底部包覆板气动减阻效果研究

转向架的复杂机械结构及非流线化外形对高速列车气动性能产生不利影响,优化列车转向架底部流场结构,降低转向架的气动阻力占比,是进一步降低高速列车气动阻力的重要手段。为此,参考现有高速列车转向架结构设计2种转向架底部包覆板,并建立3种转向架包覆方案:方案一为带倾角包覆板+全包围裙板;方案二为平直包覆板+全包围裙板;方案三作为对照组未安装底部包覆板。基于k−ω方程湍流模型,探究不同包覆方案下高速列车气动阻力变化规律,对比分析3种方案对转向架及整车气动阻力、转向架舱内压力分布以及列车底部流动特性的影响,并通过全尺寸转向架风洞试验验证数值仿真的可靠性。研究结果表明:转向架包覆板有效减弱了气流对转向架零部件以及转向架舱后端板的冲击,使得转向架舱内压力分布更均匀,进而降低了转向架气动阻力;方案一和方案二分别使头车阻力系数降低17.3%和22.2%,整车阻力系数降低11.6%和12.9%;与方案二相比,方案一中包覆板两端的倾角能够引导气流进入转向架舱内部,加速舱内的流动循环,有利于牵引电机、轴盘等转向架零部件与外部空气的换热。研究结果可为进一步优化转向架包覆板设计方案、降低列车气动阻力提供参考。

大尺度自航模气层减阻试验研究

[目的]旨在研究气流量、航行倾角对船底凹槽内气层保持和节能效果的影响。[方法]以一艘肥大型散货船的较大尺度缩比模型为研究对象,通过设计气层减阻自航模系统和船底凹槽方案,开展开阔水域条件下自航模气层减阻试验,研究模型正浮状态下喷气减阻效果,以及模型一定纵倾角状态下对航速和轴功率的影响。[结果]结果表明:在主机转速一定时,喷气可以明显提高自航模的航速,停止喷气后,船底凹槽内的气体仍能维持较长时间;船体艉倾角为0°~0.25°时的气层减阻效果较好,较大艉倾角时气体从自航模艏部两侧溢出,气层无法对船底实现有效覆盖,减阻效果不佳。[结论]研究结果可对气层减阻技术在肥大型船舶上的工程应用提供一定参考。