湍流減阻技術綜述

孫怡馨

摘 要：當前湍流邊界層減阻技術受到廣泛關注，本文針對肋條減阻、聚合物添加劑減阻、壁面振動減阻三種湍流減阻技術進行了綜述，內容涉及來源、減阻機理、影響減阻因素及工程應用，同時分析了三種減阻技術的局限性。此外，對其他減阻技術和聯合減阻技術也進行了介紹。

關鍵詞：湍流邊界層；減阻；減阻機理

中圖分類號：V211.19 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0040-02

隨著能源消耗的不斷增加，如何有效地節約能源成為人們追求的目標，解決這類問題的途徑之一是在流體機械表面盡量減小壁面摩擦阻力。在水下運動的潛艇摩擦阻力可達總阻力的70%；在管道運輸領域流體運動的阻力幾乎全是表面摩擦阻力，由于這些流體機械所處的流動狀態大部分為湍流，因此針對湍流減阻技術的研究意義重大，20世紀70年代阿拉伯石油禁運危機導致的原油價格上漲更是激起了人們對湍流減阻技術研究的熱潮。經過40多年的發展，特別是湍流理論的豐富和完善，使得人們對于湍流減阻機理有了更為清晰的認識，部分減阻技術也進入了實際的工程應用階段，取得了較好的經濟效益。本文主要針對肋條減阻技術、聚合物添加劑減阻技術、壁面振動減阻技術以及其他減阻技術的研究進展進行介紹。

1 肋條減阻技術

20世紀60年代之前研究人員普遍認為物體表面越光滑，其阻力越小，因此針對減阻的研究工作還集中在如何減少接觸面粗糙程度上。20世紀70年代美國NASA蘭利研究中心發現，在光滑表面加工順流向的微小溝槽（肋條）能有效地降低壁面摩擦阻力，研究人員將這種減阻技術稱為肋條（Riblet）減阻技術。這一發現徹底打破了過去的思維方式，肋條的形狀、高度、間距與減阻效果的關系成為新的研究對象。

壁面附近流向渦的展向運動是導致阻力的主要原因之一，肋條可以有效抑制流向渦的生成，從而形成減阻效果。肋條形狀不同，其減阻效果也有較大區別，最常研究的肋條結構主要有三角形（V形）肋條，扇貝形（U形）肋條、梯形肋條和刀刃形肋條[1]。德國研究人員通過油洞阻力測量實驗表明，具有最佳減阻特性的是刀刃形肋條，可達到10%的減阻效果。肋條在流場中有順流向和橫流向以及與流向成一定夾角等多種放置方式，研究發現肋條順流向放置其減阻效果最好，而在肋條與流向的夾角大于30°時，肋條不再具有減阻效果。此外，流場的壓力梯度對肋條減阻效果也有一定影響，相比于零壓梯度，逆壓梯度下肋條表面的減阻效果會有少量提高[2]。

運用肋條減阻技術可以通過僅改變表面壁面形狀就能達到很好的減阻效果，且不需要消耗額外的能量，因此該技術已經進入實際應用階段。國際泳衣品牌Speedo公司生產了具有肋條表面的減阻泳衣，在水下可以達到3%～5%的減阻效果，證實了肋條減阻技術的安全性和可靠性。NASA研究中心通過在飛機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。近年來輪船、多級泵的葉片的外壁，輸油輸氣管的內壁都通過粘貼肋條薄膜而獲得了一定的減阻效果。

目前，肋條減阻技術建立在理論上的研究較少，在實驗測量阻力時會有較大偏差，同時研究模擬的肋條技術只適用于小區域、小尺度和簡單邊界層的情況，而投入實際應用時環境更為復雜，與研究過程得到的物理現象并不相符。此外，肋條在生產過程中由于尺寸小，精度要求較高，生產周期很長，導致肋條減阻技術的研究成果無法最大化地得到利用。在未來的研究中應致力于完善肋條的形狀、高度、間距的工程設計準則，同時加強理論與數值計算的研究，更精確地計算出適用于肋條減阻技術的流場環境，使之能滿足不同的工程要求。

2 聚合物添加劑減阻

1948年Tomas首次發現在流體中添加微量減阻劑可使湍流邊界層阻力大大降低，1949年第一個減阻劑專利問世。自20世紀60年代至今對減阻劑的研究已經取得了長足的進展。該項減阻技術主要適用于較長距離的液體輸送系統或液體循環系統，達到減少能耗、增大運輸量的效果。目前已研發出的減阻劑可分為兩類：高分子聚合物和某些表面活性劑，其中高分子化合物又分為油溶性和水溶性兩種。研究人員通過水洞實驗發現，在25℃的流體中添加0.22mmol/L的氯化十六烷基三甲基銨（C16H33N（CH3）3Cl），流動的阻力可減小66%[3]。

聚合物添加劑的共同特點有：（1）分子量一般大于50000才能具有一定減阻效果；（2）分子結構呈直鏈型，且主鏈越長、支鏈越少，減阻效果越好；（3）根據分子量的分布不同，可分為共聚物和均聚物兩種；（4）與溶劑有很好的兼容性，不改變溶劑的基本化學性質，不影響溶劑后續處理工藝；（5）易降解，抗剪切性能差，受溫度影響大。

影響減阻劑減阻效果的因素主要有四點：（1）減阻劑的濃度越大、彈性底層越厚，減阻效果越好；（2）當減阻劑濃度一定時，存在一個臨界雷諾數，在該雷諾數下減阻效果最佳且隨流速的繼續增大而降低；（3）流通管道的直徑、壁面粗糙程度、彎曲程度、溫度等因素都會對減阻效果產生影響；（4）減阻劑內雜質的含量和種類也會影響減阻效果。

減阻劑在管道輸運領域有重要的應用。在運輸的石油中添加少量減阻劑可以在在相同動力下增大運輸速度，從而增加運輸量，節省運輸成本。中國的石油管道老化嚴重，添加減阻劑后可以使石油對管道壓力減小，從而提高運輸過程的安全性。美國部分地區為解決大暴雨時排水能力不足的問題，在排水管道上添加減阻劑，增加雨水流速，緩解道路積水。日本在供熱系統熱水輸送領域開展了大量研究工作，證實在熱力系統中添加減阻劑能有效減少泵耗。

聚合物減阻劑雖然有很好的減阻效果，但是大多數種類的添加劑生產安全性較低，不便于運輸和存儲，同時各種添加劑之間的性能差距較大，不同流體選取不同添加劑時由于眾多不確定因素導致減阻效果偏離預期值。此外，最終流體經過處理后可能仍含有未除凈的添加劑，會影響到流體的使用或危害人體健康。半個世紀以來這一領域雖然有了許多重大的研究成果，但仍然有理論上的缺陷，例如目前還沒有針對添加劑湍流減阻流動（及換熱）在高雷諾數下可靠的定量分析方法。因此，實際應用中的干擾因素和理論的不完整共同導致聚合物添加劑在工程應用中的局限性。

3 壁面振動減阻

20世紀90年代研究人員通過數值模擬發現，壁面沿流向的展向方向進行周期振動可以有效減少湍流邊界層壁面摩擦阻力。該方法是一種主動控制的減阻方法，減阻效果比較明顯，近些年來獲得了研究人員的重視。

壁面進行展向運動的一般形式為，式中A為振幅，為角速度，t為時間。研究表明，減阻效果依賴于振幅和角速度的組合參數，即無量綱振動速度，式中，，當時，壁面減阻效果最高可達45%[4]。

對于減阻機理的研究發現，振動的壁面在邊界層產生的Stokes層抑制了壁面附近流向渦的產生，進而減弱了湍流邊界層低速條帶的產生和猝發，導致壁面附近低速流體與主流中動量交換減小，達到減阻效果。

壁面展向振動在工程上目前還沒有得到廣泛的應用，原因有兩點。（1）對壁面振動減阻的機理研究不充分，各種壁面展向振動的優化控制方法仍需進一步研究；（2）該方法需要壁面處于運動狀態，對裝置結構要求較高，限制了它的實際應用。

4 其他減阻技術

一些學者還對其他減阻技術進行了研究，主要包括微氣泡減阻技術、柔順壁減阻技術、納米減阻技術等。微氣泡減阻技術是指利用空氣與壁面摩擦阻力小來達到減阻目的。柔順壁減阻技術是指在固體避免上覆蓋一層具有半滲透性的彈性薄膜使得邊界層剪切力減小，壁面阻力減小。納米技術減阻是指利用納米材料的輸水（油）特性減小壁面與流體之間的粘附作用，從而達到減阻效果。

此外，由于各種技術的減阻效果有限，研究人員開始對多種減阻方法聯合使用進行研究。主要包括肋條與微氣泡聯合減阻和肋條與聚合物添加劑聯合減阻等。實驗表明肋條與聚合物添加劑聯合減阻能夠使流動阻力減小74%。肋條與微氣泡聯合減阻可以使氣泡層所需的空氣量大大減少并同時增強減阻效果。

5 結語

當前節約能源受到人們廣泛關注，使得湍流減阻技術得到越來越多的研究和應用，具有廣闊的發展空間。本文主要從來源、減阻效果、影響減阻效果因素、工程應用等幾方面介紹了肋條減阻、聚合物添加劑減阻和壁面振動減阻三種湍流減阻技術，同時分析了三種減阻技術的局限性。此外，針對其他減阻技術及聯合減阻技術進行簡單論述。由于目前針對湍流的研究仍然不能滿足工程應用的需要，因此隨著湍流理論的發展，未來針對各種湍流減阻技術的減阻機理及其應用仍需要進行進一步深入的研究。

參考文獻

[1]劉德俊，于洋，王國付，等.三種形狀肋條減阻特性與機理研究[J].工程熱物理學報，2016，（7）：1411-1415.

[2]許超，汪靜，劉婭琛，等.仿生溝槽減阻技術的研究和應用進展[J].大連海洋大學學報，2009，（S1）：235-237.

[3]Huang C， Liu D， Wei J. Experimental study on drag reduction performance of surfactant flow in longitudinal grooved channels[J].Chemical Engineering Science， 2016，（152）：267-279.

[4]黃樂萍.壁湍流的展向運動減阻機理研究[D].南京理工大學，2012.