肋條湍流減阻技術研究進展

彭梓航

(中國人民大學附屬中學,北京 100080)

降低流體機械表面摩擦阻力,一直是流體力學領域研究的熱點,同時也是一個具有重要經濟利益的工程問題。以普通商用飛機為例,每降低1%的表面摩擦阻力,其有效負載可提升5～10%,可在節省燃料的同時提高飛機的運輸效率。由于流體機械中大多數流體的流動處于湍流狀態,為此,研究人員嘗試并研究了大量湍流邊界層減阻方法,如聚合物添加劑減阻,仿生減阻,壁面周期震動減阻等,其中,上世紀70年代美國NASA研究中心發現,仿鯊魚皮的肋條(Riblet)結構在湍流狀態下能夠有效的減小壁面摩擦阻力,由于該方法不需要額外的能量損耗且結構簡單,被認為是最具應用潛力的湍流減阻方法。本文從影響肋條減阻的因素、減阻機理及工程應用三方面介紹肋條湍流減阻技術的最新進展。

1 影響減阻因素

1.1 肋條幾何形狀

肋條的幾何形狀不同,其減阻效果有很大區別。在肋條減阻技術研究初期,三角形(V形)、梯形、扇貝形(U形)及刀刃形結構肋條是最常研究的幾種肋條(如圖1所示)。Bechert通過一系列精確的油洞實驗發現,刀刃型肋條的減阻效果最好,在h/s=0.5,t/s=0.02的情況下(其中s為相鄰肋條寬度,h為肋條高度,t為肋尖厚度),相比于光滑平板,其最大減阻可達9.9%。同時研究發現,肋尖厚度t對減阻效果的影響很大,t越大,會導致減阻效果顯著下降。近年來,研究人員針對復雜形狀的肋條做了很多研究工作,Sasamori通過對沿流向呈正弦型變化的刀刃肋條的研究發現,其減阻效果最大可達11.7%。Luo通過研究鯊魚皮形狀的三維肋條發現,在肋條處于不同的來流迎角下,其最大減阻效率可達12%[1]。隨著加工工藝的進步,一些具有復雜結構形狀的肋條也在逐漸進行相關的研究分析。

圖1 三角形肋條示意圖

1.2 肋條布置方式

肋條在流場當中有順流向布置,垂直流向布置以及與流向成一定夾角布置等多種布置方式,通過對三角形肋條的研究發現,順流向的布置方式肋條的減阻效果最好,隨著肋條與流向的夾角增大,其減阻效果逐漸減小,在肋條與流向的夾角成30°以上時,肋條不具有減阻效果。

1.3 流場壓力梯度

流體機械表面的壓力梯度在流體中總是在不斷變化,因此,研究流場壓力梯度對肋條減阻效果的影響具有重要意義[2]。葉建,鄒正平[3]通過大渦模擬發現逆壓梯度下減阻效果相比零壓梯度下有少量提高。錢鳳超[4]發現逆壓梯度下不規則肋條表面的減阻效果相比于零壓梯度下提高了6%～7%。

圖2 (a)“二次渦群論”示意圖

圖2 (b)“突出高度論”示意圖

2 減阻機理

為了解釋肋條減阻的原因,研究人員針對肋條減阻的機理從不同的角度進行了研究。“子層增厚論”認為,肋條的存在減小了壁面附近湍流邊界層內的速度梯度,使得湍流邊界層黏性子層增厚,肋條被淹沒在黏性子層中,壁面附近流體的剪切力減小,壁面摩擦阻力減小。“二次渦群論”認為,肋條的肋尖與壁面附近的流向渦相互作用,在肋尖兩側形成了一對反向旋轉的二次渦,二次渦的存在減弱了湍流邊界層低速條帶的生成,同時抑制了流體流動的不穩定性,使得邊界層中猝發事件發生的頻率減小,導致壁面低速流體和主流高速流體之間動量交換減小,形成減阻效果(如圖2(a)所示)[5]“。突出高度論”認為,肋條表面流向等效虛擬原點和展向等效原點處于不同高度,造成肋條流向的突出高度hpl大于展向的突出高度hpc,當兩者的差值Δh=hpl-hpc＞0時,就會抑制流體的展向運動,使得壁面摩擦阻力減小(如圖2(b)所示)[6]。近年來,一些學者通過實驗和數值模擬研究發現,沿展向周期性振動的壁面在湍流邊界層中也具有一定的減阻效果,同時對肋條的研究發現,在減阻的情況下,肋條壁面附近出現了展向的“Rollers”,因此他們認為流體的展向運動并不是造成壁面阻力的主要原因。

從上面論述可以看出,前人的研究工作讓人們對肋條的減阻機理有了非常豐富的認識,但是由于肋條減阻涉及的是湍流運動,而湍流運動當中湍流的形成及維持等相關理論仍需不清楚,所以目前對于肋條湍流減阻的機理沒有統一的認識。

3 工程應用

由于肋條減阻技術是一種被動的湍流減阻技術,僅僅需要改變壁面形狀就可以達到較好的減阻效果,且不需要消耗額外的能量,實際操作性強,因此現在已經進入了工程應用階段。3 M公司在乙烯薄膜上加工出微米級別的三角形肋條薄膜vinyl-film,可通過貼膜方式應用到管道、船體以及飛機表面等。NASA研究中心和德國宇航中心最早開始將3 M公司制造的肋條薄膜應用在波音公司和空中客車的飛機上,通過在飛機70%的表面貼上肋條薄膜,達到了3%的減阻效果,相當于節省了3%的飛機燃油。同時肋條減阻技術在競技體育中也具有廣泛應用,如游泳、劃船等項目,20世紀90年代美洲杯帆船比賽中一艘劃艇底部被加工成了肋條結構,在當時引起了公眾的關注。美國Speedo公司生產了具有肋條表面的“Fastskin”泳衣,與其他泳衣相比,該泳衣在水下可以達到3%～5%的減阻效果,2000年悉尼奧運會美國游泳選手Ian身穿“Fastskin”泳衣一舉奪得三枚金牌,使得肋條減阻技術受到了人們的追捧,其工程應用也進入了快速發展階段。在流體運輸領域,K S B公司通過在多級泵的葉片上加工具有一定形狀的肋條結構后,泵的運輸效率提高了1.5%[7]。德國研究人員通過在16km的天然氣管道內表面加工肋條結構,達到了一定的減阻效果。

4 問題與展望

隨著湍流理論的發展,肋條減阻技術的機理研究及工程應用取得了突破性的發展,未來具有廣闊的應用前景,但也存在不少問題有待解決。首先,由于肋條尺寸較小,給數值計算和實驗測量帶來一定困難,相關的計算和實驗方法需要不斷改進。其次,對于不同形狀結構肋條的減阻規律目前并沒有統一的認識,造成在肋條設計過程中沒有一個統一的設計準則,這方面仍需進行進一步的理論研究。此外,肋條在實際應用中由于外界環境影響會造成減阻效果下降,可考慮肋條和其他湍流減阻技術如聚合物添加劑減阻技術,微氣泡減阻技術相結合的減阻方法來增強整體的減阻效果,提高肋條減阻技術的實用性。

[1] Dean B, Bhushan B. Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow： a review[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A： Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2010,368(1929)：4775-4806.

[2] Saravi S S, Cheng K. A review of drag reduction by riblets and micro-textures in the turbulent boundary layers[J]. European Scientific Journal, ESJ, 2013, 9(33).

[3] 葉建,鄒正平.逆壓梯度下層流分離泡轉捩的大渦模擬[J].工程熱物理學報,2006,(3)：402-404.

[4] 錢鳳超.仿生魚鱗形凹坑表面減阻性能的數值研究[D].大連理工大學,2013.

[5] Bacher, E. V. and Smith, C. R. A combined visualisationane mometry study of the turbulent drag reduction mechanisms of triangular micro-groove surface modifications[J]. AIAA paper, 1985,85-0548.

[6] Bechert D W, Bruse M, Hage W, et al. Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1997,(338)：59-87.

[7] 王樹立,史小軍,趙書華,等.溝槽面在湍流減阻中的技術研究及應用進展[J].西南石油大學學報,2008,(1)：146-150.