沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展

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。

沟槽面湍流边界层结构实验研究

应用激光测速技术和氢气泡流动显示技术对沟槽面湍流边界层特性及近壁区拟序结构特征进行了精细的测量和观察实验结果表明：与光滑面湍流边界层相比，沟槽面湍流边界层的黏性底层厚度、过渡层厚度及流速分布对数公式中的积分常数Ｃ均有所增大，说明采用的沟槽面具有减阻特性．此外，无量纲低速带条间距明显减小，最多减小２０％；

沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究

采用标准k ε模型,通过数值计算考察了两种沟槽面管道湍流减阻性能,包括不同的沟槽深度、沟槽间距以及零压梯度和逆压梯度的阻力性能,获得最大11%的减阻效果,并对其进行了实验验证;探讨了沟槽面的减阻机理,分析结果与沟槽面平板湍流减阻的结果较一致。

沟槽面湍流边界层近壁区拟序结构实验研究

应用氢气泡流动显示技术 ,对沟槽面湍流边界层近壁区带条结构进行了研究。通过分析流动显示结果 ,发现沟槽面的带条比较平坦 ,低速带条有较好的直线性 ,说明沟槽限制了流体的横向流动 ,增强了流动的稳定性。通过统计分析发现沟槽板湍流边界层中无量纲低速带条间距及无量纲高速带条间距均符合对数正态分布。对同种沟槽板而言 ,两种带条的分布特性无明显差别。沟槽板的平均无量纲低速带条间距比光滑板的要小 ,最多小 30 % ,且沟槽尺寸对平均无量纲低速带条间距亦有影响。对同一种沟槽板同一位置而言 ,平均无量纲低速带条间距随离开壁面的无量纲距离的减小而减小 ,但最可几概率增大 ,表明沟槽板对近壁流动影响最为强烈。另外 ,还对低速带条与减阻特性的关系做了初步探讨 ,得到的沟槽无量纲高度和间距为 1 5～ 1

沟槽面三角翼减阻特性实验研究

风洞测力实验结果表明 ,本文所采用的沟槽面设计均能在一定的迎角范围内减少三角翼的阻力。在迎角α >2 0°、侧滑角 β =0°～ 30°的范围内可使阻力系数降低 2 .5 % ,而几乎与侧滑角无关。另外 ,h =s =0 .2mm的“V”型沟槽表面在α =6°时减阻效果最佳 ,减阻量为4 0 % ;相应的升阻比亦最大 ,约增加 61%。

沟槽面在湍流减阻中的应用

对近些年来的沟槽面湍流减阻技术的工业应用方向 ,沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对于沟槽减阻效能的影响 ,沟槽面对于湍流边界层流动特性的影响 ,沟槽面的湍流减阻机理几方面研究进展进行了综述。从湍流拟序结构理论出发提出 :具有减阻效应的沟槽面不但能通过控制低速制条带间距来降低湍流“猝发”频率 ,而且在“猝发”后的高速“下扫”过程中因其几何结构使藏在槽内的安静流体避免或部分避免因高速“下扫”而“诱导”出较大速度剪切层 ,从而实现减阻。同时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直接数值模拟对湍流边界层的瞬时流场进行研究 ,以其找出湍流边界层的流动结构及其运动规律。

沟槽面湍流减阻研究综述

对近２０年来沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构、湍流减阻及其机理的研究进展进行了综述．内容涉及沟槽面平板、旋成体、机翼等在压、跨、超音速流动情况下的实验研究成果；压力梯度、攻角、侧滑角等的影响；湍流猝发特性、紊动特性、近壁区带条结构的特征及减阻机理等方面的工作．为更有效地减少表面摩阻，必须深入开展对沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构及湍流减阻机理等方面的研究．

沟槽面对湍流边界层流动特征影响的实验研究

利用二维激光多普勒测速仪对零压力梯度下光滑面和小尺度沟槽面的沟槽及峰上部区域中湍流边界层流场进行了对比测量。笔者着重考察了在相同流动条件下两位置的平均速度、流向速度脉动强度、高阶矩以及雷诺剪应力的分布特性。实验中发现:沟槽能够增加粘性底层的厚度,减小壁面剪切力,有减阻效应。而此处的流向速度脉动的强度、高阶矩以及雷诺剪应力在距离壁面的不同区域中均有减小或降低,说明沟槽具有削弱湍流湍动的功能;而峰上部的湍流统计平均量则表现出与槽相反的结果或趋势。还讨论了该沟槽面减阻的原因。

沟槽面与光滑面湍流边界层特性比较

应用ＬＤＶ技术对沟槽面及光滑面湍流边界层流速和湍流度分布进行了精细的测量，实验结果表明：与光滑面相比，沟槽面湍流边界层时均流速分布对数公式中具有较大的积分常数Ｃ值，且沟槽面湍流度最大值较小，但其出现的位置距壁面较远。另外，偏斜因子及平坦因子的分布特性区别不大，但是在近壁区内沟槽面结果波动较大。

沟槽面湍流边界层湍流度分布

应用激光测速（ＬＤＶ）技术对沟槽面湍流边界层湍流度分布进行了精细的测量，实验结果表明，在湍流边界层区域沟槽面湍流度最大值比光滑面要小，但出现的位置比光滑面要远．此外，紧靠沟槽面，即ｙ＋＜４内，沟槽面有较大的湍流度，说明沟槽面有使近壁区流动紊动增加的趋势．对于ｙ／δ≥０．０６的区域，湍流度可用ｕ′／ｕ＝２．３ｅｘｐ（－０．９ｙ／δ）描述，而在ｙ／δ＜０．０６内，则有ｕ′／ｕ＝３６．

小尺度沟槽面边界层湍流参数的测量

利用二维激光多普勒测速仪对零压力梯度下光滑面和小尺度沟槽面的沟槽及峰上部区域中湍流边界层流场进行了对比测量。着重考察了在相同流动条件下两位置的平均速度、流向速度脉动强度、高阶矩以及雷诺剪应力的分布特性。实验中发现 :沟槽能够增加粘性底层的厚度 ,减小壁面剪切力 ,有减阻效应。而此处的流向速度脉动的强度、高阶矩以及雷诺剪应力在距离壁面的某一区域中有减小或降低现象 ,说明沟槽具有削弱湍流湍动的功能 ;而峰上部的湍流统计平均量则表现出与槽相反的结果或趋势。

三角形沟槽面圆管湍流减阻的大涡模拟数值研究

湍流减阻对水上船舶、潜艇、飞机以及长输油管道等运输工具的节能减排具有重要意义。利用大涡模拟(LES)对光滑圆管和三角形沟槽面圆管的流场进行数值研究,验证了LES在非光滑表面圆管湍流减阻研究的可行性,为其他形式的沟槽面圆管的减阻研究提供依据。同时对光滑及沟槽面圆管流场进行分析,并探讨了三角形沟槽的减阻机理。

回转体微沟槽面湍流边界层流动实验测量

为了揭示具有减阻功能的沟槽面湍流边界层与光滑面湍流边界层流动的差异,结合粒子图像测速技术对流场无干扰及高精度全场测量的技术优势,在拖曳水池中,采用随车式PIV测量系统,开展了水下回转体分别粘贴微沟槽薄膜和光滑薄膜时的壁面湍流边界层流动显示及速度测量试验,对比分析了微沟槽薄膜湍流边界层和光滑薄膜湍流边界层的速度、速度梯度和流线分布图,说明了微沟槽对湍流边界层流动特征的影响规律:微沟槽薄膜有利于保持回转体壁面边界层流动的稳定,能够减少壁面涡的强度和发生频率,并降低近壁面区的速度梯度.

沟槽面对扩压叶栅表面流态的影响

采用油流显示技术研究了沟槽面扩压叶栅表面流动的拓扑结构,通过与光滑叶栅壁面流动拓扑图像的比较,发现沟槽面能抑制叶背附面层的发展,减小附面层内低速流体的展向流动,减弱叶背附面层与叶背角区旋涡的相互作用.随后用总压耙对栅后流场进行了测量,和光滑叶栅测量结果相比,沟槽面叶栅端壁区总压损失低,主流区沟槽面叶栅尾迹宽度变小、损失降低,证实该非光滑面能减小叶栅二次流损失.

微细沟槽面提高航空设备柜散热率的仿真分析

将微细沟槽表面应用到航空设备柜的散热板中能够在几乎不影响其机械结构性能的基础上大大提高散热效率，为航空设备柜的热设计提供了新的方向，具有重要的意义。

纵向沟槽面超声速阻力特性大涡模拟

针对超声速壁面边界层流动问题,提出一种基于纵向梯形沟槽薄膜的减阻方法。利用基于有限差分的程序对纵向梯形沟槽壁面超声速流场进行数值模拟,对于湍流的模拟采用大涡模拟(LES)方法。通过对比超声速平面壁面流动结构与超声速梯形沟槽壁面边界层流动结构特征的区别,分析减阻特性,并给出了来流Mach数对给定沟槽壁面减阻效率的影响情况。结果表明,超声速流动情况下,对于一种特定构型的纵向梯形沟槽面,存在一个具有良好减阻效率的来流Mach数区间,通过分析湍流边界层流场结构特征,总结出该梯形沟槽面的减阻规律。特别地,当来流Mach数M=2.0时,该梯形沟槽能够产生2.18%的最大减阻效率。

平板及减阻沟槽表面雷诺切应力的实验研究

利用二维LDV系统对零压力梯度下光滑面和减阻沟槽面湍流边界层流场进行对比测量。着重考察了相同流动条件下光滑面、沟槽面的槽及峰上部区域雷诺切应力的分布特性,并利用象限分析法研究了沟槽面对湍流边界层相干结构的影响。研究发现:减阻沟槽面槽峰增强了雷诺切应力水平,使其上部区域下扫事件的平均强度增强;而槽部则抑制了雷诺切应力水平,削弱了其上部区域下扫事件的强度;沟槽上部区域雷诺切应力水平的降低幅度高于槽峰上的增加幅度。由此可以认为:沟槽的抑制作用抵消了沟槽峰部的增强效果,使得近壁区内动量交换水平减弱,从而,减阻沟槽面的雷诺切应力在总体上表现为减小。

减阻沟槽表面近壁湍流相干运动的实验研究

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维激光多普勒测速系统(laser doppler velocimetry,LDV),获得零压力梯度时光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流向和壁法向的湍流脉动分量.考察了沟槽对速度脉动的二阶及三阶相关统计参数的影响,并将这些相关量的变化情况与边界层中的相干运动相结合,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律.

沟槽型面减阻特性数值模拟研究

基于人工压缩性方法,时间项采用隐式离散、对流项采用基于Roe近似Riemann解的迎风格式,研究了三维不可压粘性流动的数值模拟方法,湍流模型采用Baldwin-Barth一方程模型,利用所发展的不可压粘性流数值模拟方法,对典型几类V型、间隔三角型和U型沟槽型面的不可压粘性流场进行了数值模拟计算研究,探索了上述几类沟槽型面参数对湍流减阻特性的影响规律,从表面摩阻、速度场等方面分析了上述几类沟槽型面的减阻作用机理。研究结果表明:上述典型沟槽的减阻效果可以分别达到7.6%,10.5%和5.0%,与国内外相关实验结果符合一致,所发展的计算方法是成功的、可行的。

减阻沟槽表面对湍流边界层高阶矩特性的影响

以光滑平板及间隔V型减阻沟槽面为研究对象,利用二维LDV系统获得光滑平板及沟槽板上部区域湍流边界层流场的流动参数。通过象限分析法深入研究减阻沟槽表面湍流边界层中雷诺切应力的变化情况,着重考察沟槽面对湍流边界层高阶统计参数的影响,并将高阶统计参量同湍流边界层相干运动规律结合起来,由此来探讨沟槽面与湍流边界层之间的相互作用规律。结果表明,沟槽的存在抑制了整个近壁区低速条带的喷射运动,降低了y+<15区域内高速流体的下扫强度;雷诺切应力以及湍动能的法向输运主要是由喷射和下扫这两种运动来完成的,沟槽的存在削弱了雷诺切应力及湍动能的法向输运水平;沟槽的存在减小了y+<13区域内的流向速度脉动的偏斜因子与y+<3区域内流向速度脉动的平坦因子。