微溝槽減阻技術研究現狀與進展綜述

李炳炘, 張 浩、2, 玄克勇, 孫國梁

(1.山東建筑大學 熱能工程學院,山東 濟南 250101;2.山東省綠色建筑協同創新中心,山東 濟南 250101;3.山東林李建筑設計有限公司,山東 濟南 250014)

1 概述

隨著經濟不斷發展,全世界都在面臨著能源消耗急劇增加的問題。流動過程中的能量損耗逐漸引起了人們的重視,由此出現了許許多多的減阻技術,如添加劑減阻技術、壁面改進減阻技術等。其中,壁面改進減阻技術主要利用仿生學原理,通過改變壁面結構從而達到減阻效果,如微溝槽壁面[1-5]、超疏水壁面[6-9]、柔性壁面[10-12]。20世紀70年代末期,NASA蘭利研究中心聲稱發現順流向的微溝槽可以減小壁面上的阻力。空中客車公司發現將試驗機70%的表面貼上脊狀薄膜后可以省油1%～2%[13]。有研究表明,某型號飛機的飛行阻力減小,將會節省很多燃料[14]。通常我們評價船舶等交通運輸工具的重要指標是其運行速度以及能量的消耗率,在航行過程中,船舶所受的阻力主要來源于船舶與水之間的阻力以及船舶由于前后存在的壓力差所產生的壓差阻力,這些阻力是能源消耗的主要原因[15]。馬付良等[16]認為若要實現航行體的航行過程減阻,可以從摩擦切應力、速度、航行體垂直距離和航行體與水接觸的面積來考慮。

摩擦阻力使輸氣管道產生了大量的能量損耗,美國相關研究數據表明,用于克服輸運過程中阻力的能量占總能量消耗量的16%,若能減阻50%,每年將會節省約300×108美元[17]。由此可見,通過降低輸運過程中的能量損耗,可以提升輸運效率,達到節能的目的。

Rief[18]發現,鯊魚在游動過程中,由于其表皮上存在鱗脊,可以降低其在水中游動的阻力。鯊魚表皮并不是我們之前所認為的光滑表面,鯊魚表皮微觀結構見圖1。人們因此受到了啟發,產生了微溝槽減阻技術[19-20]。

圖1 鯊魚表皮微觀結構

微溝槽減阻技術在航空航天、管道輸運以及體育運動中都有著廣泛的應用[21]。相比于其他減阻技術,微溝槽減阻技術憑借其操作簡單、無污染、能量消耗較少等優點,成為非常具有發展前景的減阻技術。本文針對目前國內外學者對于微溝槽減阻技術的研究,從微溝槽減阻技術的減阻機理、研究現狀、聯合減阻以及微溝槽減阻技術的應用方面進行綜述,并對該技術的未來發展方向進行展望。

2 微溝槽減阻技術的減阻機理

現如今,國際上關于微溝槽減阻的機理并沒有實現統一,主要的3種減阻機理為突出高度論、微空氣軸承論和第二渦群論。其中,認可度比較高的是突出高度論和第二渦群論。

2.1 突出高度論

突出高度論是由Bechert等[22]提出的。突出高度論認為,微溝槽的尖端由于幾何形狀的改變,使得速度變化較大,表觀起點以下的流體速度梯度很小,相當于增厚了粘性底層,從而使得壁面處剪切應力降低,可以實現減阻。

渦的產生是因為流體流動或摩擦,平行于流體流動方向的渦稱為流向渦,垂直于流體流動方向的渦稱為展向渦。顧恩鑫[23]經過研究發現,微溝槽尖端部分的二次渦內部發生低速流動,從而使得速度梯度減小,相當于增加了粘性底層的厚度,剪切應力減小。Lee等[24]通過粒子圖像測速法(PIV)進行實驗,對展向渦進行了分析研究,發現微溝槽表面的展向渦數量相對于光滑表面來說更少,壁面的摩擦阻力相應減小。由此可以看出,突出高度論實際上是認為抑制了流體的展向運動。

2.2 微空氣軸承論

微空氣軸承論由潘家正[25]提出,潘家正通過進行風洞試驗,用垂直于流動方向的適當截面尺寸的小肋條來“鎖住”小渦,小渦可以進行旋轉,就像一個個微型軸承,由此提出了微空氣軸承論。王偉[26]研究發現,微溝槽表面的溝谷內形成了低速旋渦,抑制了湍流的發生,使流體與壁面間由滑動摩擦變成了滾動摩擦,從而減小了阻力。微空氣軸承論減阻機理見圖2。

圖2 微空氣軸承論減阻機理

2.3 第二渦群論

目前,比較具有影響力的是Bache于1985年提出的的第二渦群論。第二渦群論是將湍流產生機理作為出發點,對于微溝槽為什么具有減阻效果作出了解釋。Bache認為,微溝槽的尖端會與流向渦相互影響,從而形成二次渦,該二次渦與流向渦的旋轉方向正好相反,可以起到減弱流向渦強度的作用,同時使得溝谷處的流體保持低速狀態[27]。二次渦的產生可以抑制流向渦強度,同時可以抑制在流動方向上低速條帶沿壁面的流動。

魏進家等[28]發現微溝槽內存在較多尺寸小、旋轉強度較弱的二次渦,這些二次渦的存在使得微溝槽可以約束侵入其內部的流向渦的展向運動。王衛強等[29]發現微溝槽尖端有二次渦產生,削弱了反向旋渦對的強度,因此可以達到減阻的效果。Choi等[30]認為在條紋微溝槽中,最可能由于微溝槽尖端與流向渦之間的相互作用實現了減阻。

3 研究現狀

3.1 實驗方法研究微溝槽減阻技術

① 矩形管道實驗

Bechert等[31]在矩形管道內進行實驗,石蠟基油為流體介質,采用可以進行高度調節的微溝槽,實驗發現,最佳微溝槽尺寸為微溝槽高度和間距比為0.5,在此情況下,同光滑表面相比摩擦阻力減小了約9.9%。李恩田等[32]通過矩形管道壓力降實驗分別研究了壁面微溝槽和表面活性劑的減阻性能,后又研究了二者耦合后的減阻效果,發現壁面微溝槽和表面活性劑均具有減阻效果,且二者進行耦合后,減阻效果得到進一步提升,最高減阻率可以達到48.26%。嚴冬等[33]通過粒子圖像測速技術研究了固體顆粒對放于平板湍流邊界層中的平壁和微溝槽壁面的減阻效果的影響,結果表明,對于微溝槽壁面而言,加入固體顆粒后會降低微溝槽近壁處對數律區的湍流強度。

② 重力式管道實驗

馮家興等[34]通過重力式管道實驗系統,研究了不同的通氣流量下,減阻率隨著雷諾數和微溝槽無量綱間距的變化情況,以及通氣條件下單純超疏水壁面和超疏水微溝槽壁面上減阻效果的差別。固體壁面與氣體間存在著由氣泡構成的氣膜層,氣膜層的存在可以使得超疏水壁面更加穩定。不同通氣流量下微溝槽壁面處的氣膜層圖像見圖3。圖3a顯示通氣流量為0時,氣膜層流失,只在微溝槽內部存有少量氣體;圖3b顯示紅框內的微溝槽已被氣體所充滿,但是紅框外的微溝槽未被氣體充滿;圖3c顯示在通氣流量為10 mL/s時,微溝槽已被氣膜層完整包裹。由于氣膜層的流失會影響減阻效果,通氣流量增加可以改善氣膜層流失問題,從而使得超疏水微溝槽結構的減阻能力增強。此外,在雷諾數保持不變、通氣流量增加的前提下,氣膜層更加均勻,減阻率上升,存在最佳通氣流量。

圖3 不同通氣流量下微溝槽壁面處的氣膜層圖像

3.2 數值模擬方法研究微溝槽減阻技術

① 形狀對微溝槽減阻效果的影響

微溝槽的形狀以及張角對于減阻效果的影響引起了學者們的關注。叢茜等[35]用有限體積法分別對三角形、扇貝形和刀刃形3種形狀的微溝槽進行了數值模擬,3種形狀的微溝槽見圖4。在保證3種形狀微溝槽表面的特征尺寸、頂點間距d、微溝槽頂端到溝谷高度h均相同的前提下,分析了3種微溝槽表面的流場特性以及減阻效果。分別從剪應力、速度場以及雷諾應力方面進行了數值模擬,結果表明,三角形微溝槽表面減阻效果最不明顯,刀刃形微溝槽表面減阻效果最佳。

圖4 3種形狀的微溝槽

袁一平等[36]將風力機專用翼型作為研究對象,在其上布置6種不相同的橫向微溝槽,分析后得出微溝槽改變了吸力面的壓力分布的結論,降低了翼型表面邊界層的厚度,提升了翼型表面的速度梯度,因此翼型表面黏性阻力上升,三角形微溝槽可以減阻主要是因為降低了翼型表面的壓差阻力。杜淑雅等[37]采用大渦模擬的方法,通過數值模擬分別分析三角形和梯形微溝槽對于湍流邊界層的影響和減阻效果。結果表明,在相同無量綱條件下,相比于三角形微溝槽,梯形微溝槽的減阻效果更佳。徐琰等[38]利用CFD方法近似模擬了氣體流動,研究了在不同參數條件下三角形微溝槽的減阻效果變化。其中,當三角形、矩形、半圓形、梯形4種形狀的微溝槽處于低速區,且寬度以及高度相同時,發現三角形和梯形微溝槽減阻效果差距不大,三角形微溝槽的減阻效果優于矩形微溝槽。相對于其他3種微溝槽,半圓形微溝槽對氣流的影響不是很大。不同形狀的微溝槽在不同參數條件下減阻效果有所差別。

② 張角對微溝槽減阻效果的影響

王松嶺等[39]通過數值模擬分析了在90°、120°、150°張角時,三角形微溝槽減阻效果的差別。分析發現,當來流速度為25 m/s、張角為90°時,可以獲得最佳減阻效果。

③ 雷諾數對微溝槽減阻效果的影響

雷諾數是流體慣性力與黏性力的量度。雷諾數的改變對微溝槽減阻效果產生一定影響。李恩田[21]采用直接數值模擬的方法,通過改變來流速度,研究了在雷諾數不同時三角形微溝槽的減阻效果的變化,研究結果顯示,對于三角形微溝槽,適當的來流速度范圍使得三角形微溝槽具有較好的減阻效果。陳璠等[40]通過數值模擬分別研究了在橫向和縱向微溝槽中,不同微溝槽構型在不同雷諾數條件下減阻效果的差別。結果表明,對于橫向微溝槽,在高雷諾數條件下,微溝槽間距較大的橫向微溝槽減阻效果較好;在低雷諾數條件下,微溝槽數量較多的橫向微溝槽減阻效果較好。而對于縱向微溝槽,雷諾數對其影響并不大,但縱向微溝槽在計算范圍內,減阻效果始終好于橫向微溝槽。劉志華等[41]通過改變三角形微溝槽的布置位置和來流速度,研究了雷諾數對微溝槽減阻效果的影響。結果表明,雷諾數對微溝槽減阻效果的影響應當分別分析來流速度以及微溝槽布置位置對微溝槽減阻效果的影響。來流速度對于微溝槽的減阻效果有著很大影響,存在一個最佳來流速度,當來流速度等于最佳來流速度時,減阻效果最好。王晨飛[42]通過數值模擬探究了不同微溝槽參數對鋸齒形微溝槽以及刀刃形微溝槽減阻效果的影響。在無量綱參數相同的條件下,刀刃形微溝槽結構相比于鋸齒形微溝槽結構,減阻效果更好。當雷諾數改變時,不管是刀刃形還是鋸齒形微溝槽,當無量綱間距在15左右、無量綱高度在10左右時,可以取得最佳減阻效果。隨后研究了超疏水溝槽壁面減阻,研究發現,超疏水溝槽存在壁面滑移現象,正是由于這種現象的存在,使得近壁面處速度增加,流體阻力減小。超疏水鋸齒形微溝槽的減阻效果優于超疏水刀刃形微溝槽。在最佳來流速度范圍內,微溝槽減阻效果最好。

④ 圓角半徑對微溝槽減阻效果的影響

將微溝槽尖峰處加工成圓角,從而使得尖峰處擾動減小。微溝槽尖峰處圓角對減阻效果有影響最初由李新華等[43]發現,由于加工出現誤差使得微溝槽尖峰處產生了小弧度圓角,導致微溝槽結構非但不會減阻反而出現了增阻的現象,由此李新華等認為尖峰處的曲率會對微溝槽減阻效果產生影響。劉志華等[44]發現,微溝槽尖峰處圓角半徑越小,即微溝槽尖峰越尖,減阻效果越好。

4 聯合減阻

4.1 添加劑與微溝槽聯合減阻

添加劑減阻主要是表面活性劑減阻與高分子聚合物減阻。由于添加劑減阻與微溝槽減阻在減阻機理上可以實現互補,因此二者聯合減阻可以達到更好的減阻效果。李恩田[45]通過粒子圖像測速實驗和阻力測試實驗分別研究了室溫下表面活性劑十六烷基三甲基氯化銨(CTAC)和高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)兩種添加劑、三角形微溝槽以及兩種添加劑與三角形微溝槽聯合的減阻效果。研究發現,表面活性劑CTAC和高分子聚合物PAM兩種添加劑的減阻效果受濃度和雷諾數影響,隨著濃度升高,減阻效果越來越好,減阻率隨雷諾數增加先增加后減小;三角形微溝槽減阻效果受微溝槽的尺寸影響,微溝槽深寬比越大,減阻效果越好,隨著微溝槽的無量綱溝槽寬增大,微溝槽減阻效果先增加后降低;對于表面活性劑CTAC來說,壁面微溝槽可以增強表面活性劑CTAC的減阻效果,但減阻效果會受到微溝槽尺寸及雷諾數的影響;對于高分子聚合物PAM來說,壁面微溝槽對PAM減阻效果的增強,會受到微溝槽張角以及雷諾數的影響,隨雷諾數增大呈現先增強后減弱的趨勢。

魏進家等[28]通過數值模擬的方法探究了表面活性劑溶液在不同尺寸矩形微溝槽結構內的減阻情況。結果表明在合適尺寸的微溝槽結構內,表面活性劑溶液可以得到更好的減阻性能,除此之外,微溝槽的最佳減阻尺寸在表面活性劑溶液中也可以放大。且魏進家等提出,微溝槽和表面活性劑溶液耦合后可以加強減阻效果的原因在于約束作用和尖峰作用的影響。朱涵[15]通過建立粘彈性流體數值模型,研究了三維流動減阻的原理,對表面活性劑與微溝槽耦合減阻做了探究。研究發現,當雷諾數增大時,減阻率會隨之產生先增大后減小的趨勢。減阻效果的出現是因為當雷諾數較為合適時,會出現流體的滑移現象,從而會使得流體與內壁間摩擦力減小,而后期當雷諾數繼續增加時,不僅無法減阻,反而產生增阻現象,原因是產生了更加細小的渦旋侵入了槽谷內,從而產生增阻現象。表面活性劑可以強化微溝槽的減阻效果,且存在一個合適的雷諾數范圍,在該范圍內,可以實現減阻,超出該范圍會出現增阻現象。李恩田等[32]通過研究不同濃度高分子聚合物(簡稱高聚物)溶液在寬高比為0.7的三角形微溝槽管道內的減阻效果,發現隨著高聚物溶液濃度增加,減阻效果越來越好。

4.2 超疏水壁面與微溝槽聯合減阻

王者風[46]通過利用多相流模型VOF和雷諾應力模型RSM進行了浸潤性和數值仿真模擬,隨后又對矩形和三角形微溝槽進行了浸潤性仿真模擬,發現特征尺寸75 μm內微溝槽具有較好的疏水性和減阻性。劉麗霞等[47]進行粒子圖像測速實驗,研究了湍流邊界層在微溝槽超疏水復合壁面的瞬時速度場。用超快激光刻蝕的方法在鋁板上制出了超疏水壁面模型和超疏水微溝槽復合壁面模型,該超疏水微溝槽復合壁面的減阻率可達20.7%,而超疏水壁面減阻率只有14.6%。

5 微溝槽減阻技術的應用

5.1 航行體減阻

隨著經濟不斷發展,人們對于航行體的耗油量逐漸重視。飛機飛行過程中,阻力大部分是摩擦阻力以及誘導阻力,民用客機阻力降低1%可以給航空公司帶來可觀的經濟效益[48]。Huang等[49]從湍流邊界層角度對微溝槽進行了研究,并在機翼表面覆微溝槽薄膜,降低了約7%的阻力。德國一航空公司發現當安裝了微溝槽薄膜后,飛機耗油量減少了8%[50]。對于航行體來說,為了避免腐蝕,會在其表面進行涂漆處理,但是目前存在著漆層較微溝槽結構來說尺寸較大的問題,該問題的存在會大大降低微溝槽減阻效果。

5.2 管道減阻

在管道運輸過程中,表面摩擦阻力是運輸過程阻力的重要組成部分,因此如何降低管道內的表面摩擦阻力成為人們關注的焦點。李貝貝等[51]研發了一種不需要任何附加設備、只需在管道上加工出微溝槽結構或在管道內壁敷設有微溝槽結構的薄膜,從而實現減阻效果。Bechert[52]指出一條長16 km、管道內壁面布置了清潔微溝槽的天然氣管道,在實際應用過程中阻力降低了10%。長距離管道運輸有壓力大、距離長、阻力大的特點,因此微溝槽減阻技術的應用對于長距離管道運輸具有非常大的實用價值[53-54]。

6 結論與展望

微溝槽減阻技術具有操作簡單、無污染、能量消耗較少等優點,成為目前具有廣闊發展前景的減阻技術,已應用于航運、管道輸運中。針對目前國內外微溝槽技術的研究,作出如下展望。

① 目前使用較多的是單一的減阻技術,多種減阻技術聯合減阻仍需要繼續研究。可以通過控制參數等方法研究出更好的減阻方法。

② 微溝槽結構存在著形狀較為復雜且尺寸很小、不易加工等問題。目前,3D打印技術快速發展,今后可以將3D打印技術應用到減阻技術中,更加方便、快捷地制造出微溝槽結構。

③ 在航行體表面設置微溝槽結構時,由于腐蝕等問題,需進行涂漆處理,漆層較微溝槽結構來說尺寸較大,這大大降低了微溝槽結構的減阻效果,因此如何改進加工工藝使得減阻效果增強值得深入研究。