湍流降阻
湍流减阻技术有泥沙减阻[ 1]、微汽泡及吹气和吸气减阻[ 2,3]、聚合物减阻[ 4]、涂层减阻[ 5]、磁减阻[6]、仿生非光滑减阻[7-12]等, 这些技术主要是控制边界层内的湍流结构, 特别是拟序结构, 从而达到控制湍流动能损耗, 实现减阻目的。
仿生学研究发现鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年进化过程, 形成了一种满足自身生存需要的非光滑减阻表面。如Reif 教授在研究40 多种不同生长阶段的鲨鱼后, 发现当鲨鱼快速游动时, 表皮上有精细间隔的鳞脊, 鳞脊间有圆谷, 鳞脊的排列基本上与流动方向平行, Reif 认为, 鲨鱼皮上的鳞脊可以使边界层稳定, 减小快速游动阻力[9]。受此启发, 用仿生非光滑技术改变近壁区流场, 减小壁面摩擦阻力, 不会给使用体带来附加设备、额外能量消耗和污染物, 仅改变壁面形状就达到减阻效果,在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法。
图1 为三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽形状参数示意图, 其中s = 0. 1mm, h =0. 05mm, 刀刃形沟槽刃宽t = 0. 2 × h 。三种模型在相同的计算域中模拟, 将光滑表面与沟槽表面置于同一流场中, 便于结果对比, 减小计算误差。先在ANSYS 中建立几何模型, 对其进行离散化, 再将离散单元导入GAMBIT 中, 进行网格平滑处理和区域划分, 最后将网格导入FLU ENT 中进行计算及结果显示。为了便于观察流场运动情况, 沿流向布置8 个沟槽。三角形和扇贝形用六面体网格离散, 刀刃形用三角形网格离散。流向均匀划分40 个网格点, 垂向不等间距划分40 个网格点, 中心处网格最稀, 从中心向两边网格间距以0.
25 倍等比速度减小, 沟槽表面划分变尺寸网格, 沟槽网格密度在谷底最稀, 谷顶最密, 网格间距从谷顶到谷底以0. 5 等比速度减小。三种情况下沟槽表面所划分的网格密度相同, 并等于光滑表面。
图2 CFD模型
表1 三种沟槽表面上网格点数列表
网格总数沟槽表面积形状顶角s h 沟槽表面
网格数
三角形90°0.1 5×10-214 181023 4.53×10-6扇贝形- 0.1 5×10-216 197821 4.95×10-6刀刃形- 0.1 5×10-221 240005 6.00×10-6
在ANSYS 中建立的几何模型如图2( a) 所示, 计算域展向长度为0. 8mm, 流向长度为4mm, 垂向高度为4mm。图2( b) ~ 2( f ) 为离散后的CFD 模型, 扇贝形和三角形离散的六面体网格图相似, 在此只列出三角形的CFD 模型, 沟槽表面所划分的网格点数列于表1 中, 刀刃形沟槽表面形状比较特殊, 很难划分六面体网格, 只能划分四面体网格。
2. 2 边界条件
流场分析时认为流场稳定, 各参数不随时间变化; 流体为不可压缩流, 密度和黏性等物理性质不随时间变化; 不涉及传热问题; 采用各向异性假设。用有限体积法求解N-S 方程, 近壁区采用B-L两层湍流模型, 远离壁面区采用雷诺应力湍流模型( RSM) , 边界条件为光滑表面与沟槽表面施加固壁无滑移条件, 即上下壁面X , Y, Z 三个方向速度为零,入口处给定质量流率m = 0. 2 kg/ s, 流向和垂直于流向的方向施加周期边界条件。计算温度t = 20℃,流体介质为水, 动力黏度μ= 0. 001N×s/ m2, 密度ρ= 998 kg / m, 运动黏度υ= 1×10-6m2 / s, 雷诺数Re= 6.0×105 , 雷诺数计算时取过流断面水力直径为特征长度。
3 三种仿生非光滑沟槽表面流场分析
3. 1 剪应力分析
计算结果表明三种沟槽表面剪应力均小于光滑表面, 具有减阻效果, 但由于沟槽形状的不同减阻效果不同, 三角形沟槽减阻效果最差, 刀刃形沟槽减阻效果最佳。
图3 沟槽表面应力云图
光滑表面单元平均剪应力为1. 2×104 N/ m2。由沟槽表面剪应力云图3 可以看出三角形沟槽表面
最大剪应力为1.07×104 N/ m2 , , 比光滑表面减小10.8%; 扇贝形沟槽表面最大剪应力为5.1×103 N/m2 , 比光滑表面减小57.5% ; 刀刃形沟槽表面最大剪应力为4. 5×103 N/ m2 , 比光滑表面减小62.5% 。由图3~ 4 可见三种沟槽表面高应力区出现位置及面积不同, 三角形沟槽高应力区起始位置最低并且面积最大, 壁面总阻力最大, 减阻效果最不明显; 刀刃形沟槽高应力区出现在刀刃尖端非常窄的带形区域内, 起始位置最高并且面积最小, 壁面阻力最小, 减阻效果最好。
图5 三种沟槽表面及光滑表面展向及垂向速度矢量图
3. 2 速度场分析
图5 给出了三角形、扇贝形和刀刃形沟槽表面和光滑表面展向和垂向速度矢量图, 通过对比可见沟槽表面对湍流结构产生影响。三种沟槽表面流向涡的展向运动都产生分离并生成二次涡, 但是二次涡的位置、近壁区流体上冲和下扫运动的强度不同。Choi曾指出沟槽减阻与否与沟槽面漩涡有很大关系[ 12]。三角形沟槽表面二次涡位置最低, 壁面受高强度流体上冲和下扫运动强度最大, 动量传输最强, 故壁面受高应力影响区域的面积最大, 由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最小, 谷底附近流体受壁面阻碍并且安静流区域面积最小, 所以层流底层厚度最小, 壁面总阻力最大, 减阻效果最差。刀刃形沟槽表面二次涡停留在沟槽尖顶附近, 位置最高, 与壁面相接触的流体运动强度最弱, 壁面几乎不受高强度流体上冲和下扫运动影响, 壁面流体的动量传输较低, 由于沟槽谷底间距及壁面曲线斜率最大, 谷底附近安静流体的运动比较自由并且区域最大, 所以层流底层厚度最大, 整个非光滑表面剪应力最低, 总阻力最小, 减阻效果最好。
图6 雷诺剪应力曲线图
3. 3 雷诺应力分析
由图6 雷诺剪应力曲线可知三种沟槽表面的雷诺应力均小于光滑表面。光滑表面、三角形、扇贝形和刀刃形沟槽雷诺应力最大值分别为8 m2 /s2、7. 8 m2 / s2、7 m2 / s2和6. 2 m2 / s2。雷诺应力是横向脉动在剪切场中的体现, 横向脉动体现了平均剪切率产生的流向脉动动能的传递。故三角形沟槽表面附近横向脉动最大, 对流向脉动动能的传递功能最强,流体对壁面的作用力最大, 壁面摩擦阻力最大, 减阻效果最差; 刀刃形沟槽表面横向脉动最小并且流向脉动动能的传递功能最弱, 流体对壁面的作用力最小,壁面总阻力最小, 减阻效果最好。
3. 4 湍流统计分析
图7 为光滑表面与三种沟槽涡量曲线图。由计算结果可知光滑表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量平均值分别为1. 5 ×1051/ s、3. 8 × 1061/ s 和5 ×
1051/ s。三角形沟槽表面流向涡量、展向涡量和垂向涡量的最大值分别为1. 25 × 105 1/ s、2. 5 × 1061/ s 和2. 0 × 106 1/ s; 扇贝形沟槽三个方向涡量的最大值分别为1. 05 × 1051/ s、2. 0 × 106 1/ s 和1. 5 × 106 1/ s, 小于三角形沟槽表面上相应涡量值; 刀刃形沟槽三个方向涡量的最大值分别为1.
0 × 1051/ s、1. 8 × 106 1/ s和2. 4 × 106 1/ s, 在三种情况下最小。由此可见三种沟槽表面流向涡量和展向涡量的最大值小于光滑表面附近相应涡量的最大值, 垂向涡量最大值大于光滑表面, 即沟槽抑制流向涡的展向运动。由于三角形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最大, 与光滑表面相应涡量值的差距最小, 流向和展向涡量被三角形沟槽表面减小的程度最小, 故其对流向涡的展向运动的抑制作用最不明显,对湍流拟序结构的影响程度最差, 减阻率最低[ 13]。刀刃形沟槽流向涡量和展向涡量的最大值在三种沟槽中最小, 与光滑表面相应涡量值差距最大, 流向和展向涡量值被刀刃形沟槽表面减小的程度最大,故其对流向涡的展向运动的抑制作用及对湍流拟序结构的影响程度最大, 减阻率最高。
图7 沟槽三个方向涡量图
表2 计算结果与实验结果对比表
形状光滑表面阻
力F S（N）
非光滑表面
阻力F NS（N）
减阻率
F NS-F S/F S
WALSH BECH ERT
三角形0.0378 0.0366 -3.2 -2 -2.5 扇贝形0.0372 0.0338 -9.1 -8 -7
刀刃形0.0375 0.0339 -9.7 -9 -8
通过分析同一流态中沟槽表面的剪应力、速度场及涡量, 可知三种沟槽表面高应力区起始点位置、区域面积、二次涡位置及流体对壁面上冲和下扫运动强度、层流底层厚度、横向脉动速度、流向涡量和展向涡量的不同, 使沟槽减阻效果不同。三角形沟槽减阻效果最差, 刀刃形减阻效果最佳。造成减阻效果不同的主要原因是沟槽形态不同, 对湍流拟序结构的扰动不同。沟槽顶角越小, 沟槽谷底间距和沟槽表面形状曲线的斜率越大, 则二次涡被抬的越高, 层流底层厚度越大, 沟槽对湍流拟序结构中流向涡的展向涡卷影响越大, 沟槽表面减阻效果越好, 为设计最佳减阻沟槽表面提供依据。
4 计算结果与实验结果对比
通过对剪应力进行面积积分得到壁面阻力F 。WALSH ( 1982) 等的风洞实验[ 11]和BECHERT( 1997) 等的油槽实验[ 8]为沟槽表面流场特性的研究提供了必要的实验基础。采用与该实验条件相同的计算条件, 通过对比可以看出, 计算结果与实验结果有较好吻合, 在相同的特征尺寸下, 沟槽形状不同导致减阻效果有很大差异。
湍流降组应用实例
4.1 沟槽降阻
早期,对于减阻现象的研究一般集中在利用测力天平等设备直接测量壁面所受阻力的大小。随着研究的深入,研究者们越来越多地将目光集中在沟槽面湍流边界层内部流动结构及其相关规律的研究。由于在层流流动中未曾发现沟槽的减阻效应,同时,又由于流体输运设备中大多数流体的流动状态为湍流,因此就其根本而言,沟槽面的湍流减阻技术是湍流理论研究的一个重要组成部分。
迄今为止,沟槽面湍流减阻技术仍未成熟,目前还未真正走出实验室。其应用范围归纳起来主要有三方面:飞行器、流体驱动设备、管道输运系统。
早期见诸报道的是20世纪80年代德国飞机制造商利用带沟槽的飞机机身能使飞机节省燃料8%。而空中客车公司在A320试验机面积的70%贴上沟槽薄膜,达到了节油1%～2%的效果。
在国外,如美国、欧洲乃至我们的邻居印度近些年陆续开展的飞行器沟槽面
减阻的实验研究,已经取得了较大的进展。国内对其在飞行器上的应用研究正处于起步阶段。如北京航空航天大学的王晋军[1]、杨弘炜[2] ,西北工业大学的李育斌[3] ,南京航空航天大学的潘家正[4]等均作了一定的工作; KSB 公司[5]在多级泵的叶片表面加工成一定形状的沟槽后综合效率提高了1.5%;在管道输运中,1984年,Nitschke [6]通过测量具有流向沟槽面衬里管道的两端压差获得了一定的减阻效果。DLR Berlin 的研究机构及日本的研究人员各自对内衬沟槽面的输油或输水管道进行了减阻实验研究均发现管输量有不同程度的提高。由上可见沟槽减阻技术具有广阔的应用前景和发展空间。
4.1.1 影响沟槽面湍流减阻的因素
影响沟槽面减阻效能的因素,概括起来有沟槽面自身特性和沟槽面所处的流场环境两类。沟槽面自身因素包括尺度和形状。沟槽面所处流场环境因素主要有流场压力梯度、过流截面形状、来流速度等。
a.沟槽几何特性
沟槽的几何尺寸对湍流减阻的影响始终是人们研究的一个重点。Choi[7]认为沟槽面阻力的减小或增加取决于沟槽与近壁区拟流向涡之间的相互作用。当沟槽的无量纲尺度与流向涡的平均尺度相当时就有减阻发生。Walsh[8-9]也认为具有减阻效应的沟槽必须具有锐利的峰脊而且沟槽间距与低速条带间距必定存在某种关系。通过将沟槽的间距与湍流猝发时条带的间距尺寸相比得出这样的推测:沟槽形状尺寸的设计是要以抑制低速条带的振荡与成长为目的。因此,较为一致的看法是:当沟槽的无量纲间距和高小于30 个粘性长度时(ν/ u 定义为粘性单元,ν为流体的运动粘性系数; u 为当地摩擦速度) ,沟槽面具有减阻效应。为了获得最大的减阻效果,人们对截面为各种形状的沟槽进行了研究。目前所知用于试验的槽型有:V 字形(对称和非对称) 、半圆形、U 形、矩形、不规则四边形、齿形等。尽管用做试验的槽型很多,但Walsh[8]发现对称V字形的减阻效果最好且当s+ = 15 , h+ = 13 ( s+ =su /ν, h+ = hu /ν,分别为采用粘性单元无量纲化后沟槽的槽间距及峰高) 时可得到8%的减阻率。而高横比为1的V 型沟槽为最优几何尺寸。同样Walsh[10 ]对一系列峰脊形状不一的对称V字槽型研究后发现槽底为等边三角形的槽型弱化了减阻效果,槽底为某一曲率弧线的则增强了减阻效果。La2zos & Wilkinson[11]对高/ 横比不同的不规则四边形沟槽面研究后发现减阻量大致与槽的高度成正比而与间距成反比,最大减阻量发生在大“高横比”沟槽面上, 且与对称V型沟槽的8%相当, 这一点与Walsh[8]实验结论相近,也与
Berchert[12]的理论探讨结果相一致。
b.流场压力梯度
在大多数工况下,边界层流场中存在某一压力梯度,因此,需要考虑压力梯度对于沟槽面的减阻效果是否存在影响。Walsh[13 ]对这一问题进行了讨论。他认为:小压力梯度下,沟槽表面仍然具有减阻效应,效果与零压力梯度下相比基本不变,这一点基本上取得共识;而对于中等或强压力梯度下,人们的意见就发生了分歧——Squire & Savill[14] , Truong & Pulvin[15]认为沟槽减阻的效果不明显,而另一些研究者如Choi[16] ,Walsh[13]等则认为还是具有一定的效果,至少不变。Debisschop & Nieuwstadt [17]发现风洞中负压力梯度下不规则沟槽面最大可获得13%的减阻效果,这要比零压力梯度下8%的减阻效果增加了6%～7%。
c.沟槽面放置方式
在他人实验中,沟槽面有顺流向和垂直流向两种放置方法。梁在潮[18]在水洞中分别进行了横、纵两向沟槽面边界层的流动显示实验。他发现流向沟槽面可以控制低速条带的数量;而横向沟槽则控制低速条带的长度,槽愈深,条带长度愈短。王晋军则认为横向沟槽的减阻效果不明显。但潘家正[4]在横向沟槽面实验中却获得了近10.2 %的减阻效果。而沟槽面顺流向放置时又可分为将沟槽峰脊与基础面平齐和沟底与基础面平齐两种方式。Lazos & Wilkinson[11]的矩形沟槽板实验中发现两种放置方式对阻力的影响没有显著差别。但事实上,Bacher & Smith[19] , Vukoslavcevic[20] , Gallagher & Thomas[21]在实验中都将沟槽的峰脊与基础面保持平齐,这样做可尽量避免来流流场受到沟槽锐利断面的影响。
4.1.2 沟槽面湍流面减阻的机理
沟槽面湍流减阻机理的研究人们从NASA 兰利的发现及鲨鱼等快速游动鱼类的鳞片上获得这样的启示:光滑表面并非经典Darcy 实验所描述的那样是减阻的最佳表面。研究者通过对沟槽面所受表面阻力的测量和对局部流场流动结构的研究均能得出阻力相对减小的结论,得知“沟槽面能在一定流动条件下减阻”是一个事实。剩下的问题是沟槽面减阻机理是什么。由于沟槽的减阻机理直接涉及到湍流流动结构,因此在湍流结构未搞清楚以前不可能真正明了它的机理。这也是为什么各家所提出的沟槽面减阻机理多为猜想。将各家观点归纳起来主要有以下几类:
①单纯从壁面剪切阻力角度出发提出减阻机理。Gallagher & Thomas[21]认为
由于粘性底层厚度的增加而产生减阻。
②从湍流拟序结构理论出发。Choi[7 ]通过对瞬时流场的研究提出具有微小间距的沟槽通过限制流向涡的位置来降低粘性阻力;Bacher & Smith[19]认为流向涡能加强低速条带的展向聚集和低动量流体的向外“猝发”。而减阻沟槽的作用在于通过在槽内形成的“二次涡”来抑制低速条带的展向聚集。这样就削弱了流向涡将低动量流体进行展向积聚的能力,也就抑制了动量交换。另外由于沟槽的存在使因剪切层的不稳定所致的“猝发”强度变弱。
③从机械减阻原理出发,提出类似“空气轴承理论”。潘家正[4 ]在解释减阻机理时提出了“微型空气轴承”的概念。他认为在湍流边界层底部按一定间距安置尺寸适当的横向小沟槽,有可能“锁住”流动的小涡。小涡本身具有旋转的涡能,被沟槽挡住后,滞留在合适的凹坑内继续转动(或不动) ,就像一支支微型的空气轴承。Lazos & Wilkinson[11]认为沟槽减阻的唯一机理在于适当形状、尺寸的沟槽面近壁区形成了低动量、几近于Stokes 流,是槽内的微小空间“锁住”了低动量流体。
④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”在槽内相对安静的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。
4.1.3 沟槽面对湍流边界层流动特征的影响
a.流向平均速度的变化
大多数研究者发现具有减阻(或增阻) 效应的沟槽面湍流边界层流场速度分布与光滑板一样仍然遵守“标准速度律”,只是对数区要上抬(或下降) ,即:U += Aln y + + B 中的B 增加(或减小)了(其中,U + = u/ u * 、y + = yu * /ν分别为无量纲化速度及横向距离; A 、B 在平板流动中为卡门常数) 。王晋军[1] ,Choi[7] , Tang[12] ,Hooshmand[23] ,Choi[24]都发现减阻沟槽面的对数区明显上抬,说明沟槽面湍流边界层的粘性底层要比光滑面的厚。这一现象与长链聚合物减阻剂所形成的边界层很相似[25-26]。但Bacher & Smith[19]的流动显示实验却发现沟槽面的平均速度分布与光滑面在总体上很相似,两者之间的差别很小。
为了深入了解沟槽内部的流动特性, Seong-Ryong Vukoslavcevic[20]和Park[27]等人分别选用大尺度沟槽进行研究。他们发现在相同流动条件下峰脊处的速度梯度u/ 9y 要比光滑面上同一位置的稍大,这表明当地剪切应力较大;而沟
底处的情况则相反。Yuji Suzuki[28]发现当槽间距s+ = 15 时,平均速度在展向分布的不均匀性限定在( y+ - y+P ) <9 (式中y+P 为沟槽峰处的无量纲高度) 范围内,沟槽面对平均速度分布的影响只限定在粘性底层;而当时s + = 31 过渡层也受到了影响,对数廓线较比光滑面的略有下移,这一结果与Choi[7]对s+ = 40 的沟槽面进行数值模拟所得的结果相一致。
b. 沟槽面对湍流脉动强度的影响
湍流脉动的强弱与湍流所致的混合程度密切相关。具有减阻效应的沟槽面应当能够有效降低近壁区湍流脉动强度以抑制湍流的“旺盛”。Debisschop& Nieuwstadt [17]发现流向速度脉动强度只在近壁处才受到沟槽的影响,而在“外部”,沟槽面与光滑面的流向速度脉动强度则大致相同。他们认为近壁区湍流度的降低水平与摩擦速度的降低成正比。这一结果还表明近壁处的湍流度测量可以作为测量沟槽减阻的替代方法。Choi[29] ,Vukoslavcevic[20]也通过实验发现沟槽近壁区特别是沟底处的湍流脉动强度显著地减弱。但Bacher & Smith[19]以及Hoosh2mand[23]却发现沟槽面上流向速度脉动强度没有多少改变。这可能是由于他们在采用热线测量时离壁面不足够近的原因。王晋军[1]则发现:虽然沟槽面的流向脉动强度基本没有变化,但最大值所对应的位置却较光滑面降低了。
c.高阶矩特性
湍流的高阶矩特性是指正则化的三阶矩和四阶矩,分别被称为偏斜因子和平坦因子。用此两者来判断流向速度脉动的概率密度函数p ( u′) ( u′为流向速度脉动) 于高斯分布的轴对称性和形状变化,并以此来研究边界层内的流动变化。Choi[7 ]对V 字形沟槽进行了直接数值模拟发现:偏斜因子及平坦因子在y + > 30 的区域内基本与光滑面一致。但在沟槽附近却发生显著的改变。u′的偏斜因子及平坦因子在槽内减小而在峰脊处则增加了。Vukoslavcevic[20 ]在研究大尺度V 字形沟槽时发现:在槽内高度约一半的位置处( y/δ≈0. 02 ,式中δ为湍流边界层厚度,mm) u′的偏斜因子和平坦因子变得很大(正值) 。考虑到该处的湍流脉动强度很小,他认为该处有少量但带有强脉动的流体微团从较高流层“冲击”下来。Bacher & Smith[19 ] , Hoosh2mand[23 ] ,王晋军[1 ]却发现沟槽面对近壁区的偏斜因子及平坦因子没有影响。这个差别在于文献[ 1 ,23 ]中测量区域只局限在y + > 10 的区域。
4.2 肋条减阻
自从20 世纪70 年代NASA 兰利研究中心发现具有顺流向微小肋条的表面
( 以下简称肋条表面) 能有效地降低壁面摩阻, 突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式, 肋条减阻成为湍流减阻技术中的研究焦点。
4.2.1 减阻效能研究
近些年, 为了最大限度的实现减阻, 人们对肋条形状进行了大量实验和优化设计。柏林的Bechert 和Brused 等利用一种测量阻力精确度可达 0. 3% 的油管对各种肋条表面的减阻效能进行了研究[ 1]。他们测试了多种形状的肋条, 包括三角形的, 半圆形的、刃形的, 以及三维的肋条。结果表明,V 形肋条减阻效果最好, 最大可得到10%的减阻幅度。Bechert 和他的同事设计并测试了刃形肋条与喷射状狭长切口复合的表面。他们设想通过湍流边界层的压力波动驱动流体在小的切口里如同喷射般的进出, 从而产生推力, 进一步增大减阻幅度。最终利用这种形状的肋条, 测得的最大减阻幅度将近9%。米兰大学的Lunchini等对肋条的形状优化进行了技术和理论上的探讨[ 2] 。他们认为通过最大化肋条顺流向的突起高度与其沿横向流动方向的突起高度之间的差距, 就可以实现优化减阻。因为这样就能使肋条对横向流动的阻抗最大而对纵向流动的阻抗最小。北京航空航天大学的杨弘炜等、提出了一种菱形网状的小圆坑点阵结构, 水洞实验表明这种结构应用于NACA-16012 翼型表面的减阻效果最高可达22%[ 3] 。此外, 人们还研究了压力梯度对肋条表面减阻效能的影响。荷兰代夫特科技大学的DeBisschop 和Nieuwstadt 通过直接测量阻力和速度, 发现在逆压力梯度的湍流边界层中, 采用肋条表面可以得到高达13%的减阻[ 4] 。这进一步验证了Choi 先前的研究结果。他曾对肋条面在不同压力梯度条件下湍流边界层中的速度剖面进行过详细的测量。
4.2.2 肋条对边界层的影响研究
为了利用肋条控制湍流和层流边界层, 人们进行了大量的实验研究。Choi 和Orchard 在诺丁汉姆大学的低速边界层流道中进行试验, 研究了热的肋条表面的传热加强以及肋条的转捩延迟作用[ 5] 。结果显示在转捩的非线性阶段, 动量厚度上升速率伴随着肋条面上湍流强度的减弱而减小。从而表明肋条面对活跃的层流边界层向湍流的转捩有明显的延迟作用。俄罗斯理论与应用力学学会也进行了肋条面层流边界层的实验研究[ 6] 。结果表明肋条面能使A- 涡转化为湍流斑点的过程延迟, 并能使转捩点向下游移动。在转捩的线性阶段采用肋条面时, T-S波的生长速率的增加与Luchini. 的数值计算结果符合得很好。Boiko 等则进行了肋条面控制三维流动转捩的效果试验[ 7] 。他通过用扰流器激励后掠翼边
界层的流向涡进行试验。结果表明肋条能抑制三维边界层层流向湍流的转捩发展。Grek 等的试验还证明肋条能充分影响单一粗糙单元后部尾流处漩涡的发展方式, 从而导致湍流的转捩延迟。也有学者对肋条表面的猝发特性和条带结构进行了研究。已有的研究结果表明肋条表面的湍流猝发强度低, 但对于肋条表面湍流猝发频率、条带结构的影响如何, 目前还没有一个较为肯定的结论, 不同学者仍有不同的看法。
4.2.3 减阻机理研究
近些年, 为了有效的设计减阻表面, 人们的注意力集中到肋条表面湍流减阻机理的研究。许多学者从不同的角度对减阻机理进行了探讨。Gallagher 和Thomas 认为是由粘性底层厚度的增加造成的; Bacher和Smith 归结为反向旋转的流向涡与肋条尖顶形成的小的二次涡的相互作用, 认为二次涡减弱了与低速带条相联系的流向涡, 并在肋条之间的沟槽内保留低速流体; 流动显示结果表明, 注入的染色液的展向扩散限于肋间沟槽内, 相邻沟槽间的相互作用较弱。Starling 和Choi 认为最主要的是纵向凹槽与马蹄形涡相互作用并阻碍漩涡的进一步发展, 从而减低了湍能的耗损, 实现了转捩延迟和湍流减阻。肋间沟槽限制了流向涡的展向运动, 引起壁面猝发变弱, 从而降低了湍能耗损, 导致了壁面摩阻的减少[ 8] 。Walsh 认为狭窄的V 型肋间沟槽的沟谷保留有低摩阻的低速安静流速因而降低了总的阻力。这一点被Park 和Wallace 对肋条侧面摩阻的精细测量所证实, 他们得到侧壁上面1/ 4 部分的摩阻与光滑面大致相等, 其余3/ 4 部分比光滑面小, 从而导致了总摩阻的降低[ 9] 。Vukoslavcevic 等通过测量肋条尖顶和沟槽低谷垂线上的流速分布得到在尖顶处摩阻增加85%, 而在低谷摩阻降低很多。Schwarz-vanManen 等得到了类似的结果。由于缺乏对低速条带结构系统的和细致的研究, 低速带条的变化与减阻的关系还不太清楚。
4.2.4 应用研究
大量的研究工作表明了肋条表面减阻的可靠性和可应用性, 国外的研究已进入工程实用阶段, 空中客车将A320 试验机表面积的约70% 贴上肋条薄膜, 达到了节油1% ~ 2% 的效果。NASA 兰利中心对Learjet 型飞机的飞行试验结果减阻约在6% 左右。在国内, 李育斌等在1: 12 的运七模型具有湍流流动的区域顺流向粘贴肋条薄膜后, 试验表明可减小飞机阻力5%~ 8%[ 10] 。
4.3 粘性减阻
粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件, 依靠
改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流体的运动和动力学性质, 从而达到减阻目的的技术。
4.3.1 柔顺壁减阻
自从20 世纪60 年代Kramer 利用/ 人造海豚皮0进行柔顺壁湍流减阻试验以后, 许多学者深入进行了理论和实验研究。沃里克大学的Lucey 等研究了柔顺壁的转捩延迟作用[ 11] 。从理论上证明Kramer柔顺壁具有充分的转捩延迟作用。他们的数值模拟结果与Gaster 在1987 年进行的一系列水池拖曳实验结果相吻合。国内南京航空航天大学的张庆利等进行了用主动柔顺壁运动控制边界层转捩的实验研究[ 12] 。结果表明边界层转捩过程中的扰动即使已发展到非线性阶段, 也能被主动柔顺壁的运动所控制。近期Cooper 和Carpanter 致力于研究优化柔顺涂层以达到最大程度的减低表面摩擦阻力, 例如采用复合柔顺嵌板以及各向异性的涂层等[ 13] 。他们还研究了柔顺性转盘对边界层转捩的影响。结果表明柔顺壁能减弱第一类无粘性不稳定性, 而对第二类粘性不稳定性则只有当壁的柔顺性增加到一定程度, 才能起到减弱的作用。尽管试验结果没有确定的表明采用柔顺性转盘临界雷诺数会增大, 但有迹象表明通过增加壁的柔顺性就能实现这一点。俄罗斯学者Kulick 和Semonov 研究证明柔顺壁能有效的降低表面摩阻和流动噪声, 降幅可达到17% [ 14] 。诺丁汉姆大学的Choi 对其结果进行了一系列的验证试验[ 15] 。结果表明其中一种柔顺壁在整个测试流速范围内, 湍流减阻可达7%, 相应的柔顺壁下游的表面摩擦力下降7% , 壁压波动强度减弱19%.结果还表明整个边界层的湍流强度减弱了5% 。此外, 对数速度分布图出现了明显的上升趋势, 表明由于柔顺壁的作用使得粘性底层变厚, 边界面上流速梯度减小, 从而减小边界面上的剪力, 也减小了由于剪力做功而发散的能量, 实现了减阻。
4.3.2 聚合物添加剂减阻
在牛顿流体中溶入少量长链高分子添加剂, 可以大幅度的降低流体在湍流区的运动阻力, 减缓湍流的发生。它最早是Toms1947 年在观察管内流动聚合物机械降解时发现的, 故又称Tom 效应。聚合物添加剂减阻是通过从液体内侧边界创造条件, 以实现减阻。长链高分子聚合物添加剂能导致减阻的共同特点是: 其额定分子量数量级都是高达百万的。学者们对于它的减阻机理进行了大量的研究。Baron 等采用有限可伸长的柔性哑铃状模型对有聚合物添加剂的边界层进行
了直接数值模拟计算[ 16]。结果表明聚合物添加剂能够影响流向涡的强度, 增大低速带条的间距, 从而减小的湍流剪切应力实现了减阻。Yarin 等则归结于聚合物稀溶液的高粘度阻碍了涡的扩展, 减低了湍流的猝发频率, 使得流速更加平稳从而导致了减阻。荷兰代夫特科技大学的Den Toonder 对有聚合物添加剂的湍流管流进行了直接数值模拟以及激光多普勒风速测量法试验, 结果显示由聚合物扩散引起的各项异性的粘性应力是导致减阻的主要因素。西安交大王海林等用基于单参数的椭球珠簧二元模型, 分析了减阻流中聚合物分子的动力学行为, 结果表明由于聚合物分子的变形效应, 其旋转频率随着剪切率的增大而减小, 从而提高了流体的稳定性, 利于减阻[ 17]。聚合物添加剂减阻由于方便实现, 在很多领域得到了广泛的应用。尤其用在原油的输送中, 可减少长输送管线的中间泵站, 节约能源和设备, 提高流量和缩短船只的在港停泊时间。例如美国的一条海底输油管线, 直径0. 356m, 年输能力800 万桶, 添加聚合物减阻剂后, 减阻率达26%, 输量提高了18% ,基本取消了驳船。现在世界各国几十个地区的30多条管线的原油或成品油输送使用了聚合物添加剂。此外, 在医学上可以用来减少血液流动的粘性摩阻, 增大血流量, 以治疗冠心病。在水射流技术方面, 也可采用聚合物添加剂, 以提高高速水射流的出口动量、切割能力、射喷量和射程。
4.3.3 微气泡降阻
早在18 世纪人们就开始在船壳和水的边界之间注入一层空气, 减小其表面摩擦力。但是, 由于气液交界面的不稳定性, 这种设想在实际中很难应用。
微气泡减阻就是基于这种设想提出来的, 它有效的避开了气液交界面的不稳定问题。苏联、美国和日本的许多学者都采用了多孔壁面喷气的方法进行微气泡减阻试验[ 18]。他们的实验结果表明, 微气泡能够降低湍流边界层的表面摩擦阻力, 局部阻力降幅可达80% ~ 90% 。但是, 上述试验结果在微气泡含量、气流喷射孔孔径以及水速对减阻效果的影响方面, 不仅数据不一, 而且存在许多矛盾之处。国内西北工业大学的宋保维等研究了边界层中的微气泡对平板表面摩擦阻力的影响,得到了60% 左右的减阻。他们认为微气泡减阻的机理在于: 位于边界层内的微气泡本身具有变形能,它把剪切力作用于流体的一部分功转为变形能而储存起来, 从而减少了能量损耗, 导致了减阻。
4.4 仿生减阻
海洋生物长期生活在水中, 经过漫长的岁月, 进化出了效率很高的游动机构, 其表面摩擦阻力也相当的低。因此通过仿生学的研究, 设计出减阻效果更好
的结构, 一直是学者很感兴趣的问题。企鹅具有很高的游泳效率, 有人做过计算, 假定1kg 的南极磷虾的能量为3700kJ, 1kg 的南极磷虾食物就能支持一只4kg 重的Adelie 企鹅在寒冷的冰洋水里游200km。柏林技术大学的Bannasch 通过在水池中测试与活体企鹅尺寸一致的模型, 进行了实验研究。发现其中一种基于三种中等大小企鹅的轴对称型的形状模型在试验中具有很低的层流摩擦阻力。当转捩在身体长度的5% 处发生时, 其表面摩擦系数比湍流中相同长度平板的还要低, 同时它随着雷诺数的增加以更快的速度减小。他们认为粘性阻力的减小是由于压力以及速度分布沿着波浪形躯体的复合曲面逐步发展的结果。由于等量的流体加速和减速, 沿着企鹅躯干的前端和后端的突起部分的压力梯度几乎是恒定的, 因而流速保持相同, 在企鹅身体介入部分由凸曲面变为凹曲面处的压力也几乎是恒定不变的。即使是刚性模型, 边界层湍流速度波动依然保持在较低的水平。企鹅身体的波状曲面以及柔性壁是它具有极好游动效率的主要原因。他还发现, 在多数情况下, 鸟类羽毛表面都能观测到波长为2~ 3cm 的规则的横波。Bechert 对一种模拟鸟类羽毛的被动流体分离控制方法进行了风洞测试。在巡游环境中, 对层流翼部分的活动襟翼的测试结果表明机翼上的最大升力增加了20% 而未发现有负面影响。一架电动滑翔机飞行测试纪录的阻力数据也证明了这一点。Beche 还在柏林的油管中测试了仿鲨鱼皮的湍流摩擦阻力。在这个实验中, 他仔细制造了800 个独立可动的鳞片, 每个都用可调整的弹簧固定。这样就可以保证每一个人造鳞片都能自由运动, 自由的与边界层的近壁流场相互作用。由于优化此试验中的全部参数显然十分困难, Bechert 和助手们只得到3% 的降阻。他们还模拟水獭和海豹的多毛的表皮,并进行了测试。当毛发直接安放在平板上或安放在平板附近时, 仅得到1.5% 的减阻。
4.5 壁面振动减阻
壁面振动减阻是20 世纪90 年代才出现的一种新方法。一些学者利用DNS( 直接数值模拟) 研究提出:壁面振动可以减小湍流和表面摩擦力。美国伊利诺斯大学的Mao Zhuoxiong 等首先进行了大振幅壁面振动减阻试验, 在雷诺数9700~ 19200 的范围里, 得到了10% ~ 15% 的减阻[ 19]。Laadhari 等为了验证DNS 结果, 进行试验研究了壁面顺翼展方向振动时湍流边界层的情况。他利用热线法进行详细测试,结果表明靠近振动壁面处湍流边界层的平均速度梯度减小, 湍流强度减弱, 从而验证了壁面振动可以减低湍流边界层的表面摩擦阻力。Choi 等在诺丁汉姆大学采用热线法和流场显示法对壁面顺翼展方向振动时湍流边界
层的结构变化进行了深入研究[ 20]。结果显示由于壁面振动, 风速对数廓线上升而湍流强度减弱。当壁面振动与无因次壁面速度结合优化时, 表面摩擦力在壁面振动起始点下游约五倍于边界层厚度处可以下降将近45% 。他们认为降阻机理与由振动壁面上周期性的Stokes 层而产生的顺翼展方向的涡旋状态紧密相关。因为它在粘性底层减低了平均速度梯度从而影响了边界层的剖面。近壁区流向涡也顺翼展方向重新排列, 从而减弱了横越边界层的流向涡的波动强度。米兰大学的Baron 和Quadrio 利用直接数值模拟技术研究了壁面振动减阻的总能量的节约效果。他们发现当壁面振动速度振幅大于3Qx / 8h 时, 不会节约能量, 而在较小的振幅时能量才有节约。这里, Qx 表示流量, h 表示湍流明渠流高度的一半。当振幅在Qx/ 4h 时, 可以净节约多达10% 的能量。由于试验是在固定的无因次周期T+ = l00 下进行
的, 因此他们认为如果条件适当, 还能节省更多的能量。Choi 和Graham 进行了一项湍流管流试验, 通过沿圆周方向振动管道的一段, 以观测表面摩擦阻力的降低。结果表明由于径向振动对近壁湍流结构的主动改变, 管道的摩擦系数下降了将近25%。当水头保持恒定, 管道振动时, 整体速度明显增大。他们提出用无因次壁面振动速度比用无因次壁面振动周期能更好的衡量管道摩擦系数的下降幅度。Choi 等认为降阻是由于径向振动引起流向涡重新排列的结果。马德里大学Jimenez 和Pinelli 的DNS 研究结果表明湍流边界层存在准流向涡的再生循环现象。这个再生循环现象位于近壁区域而不依赖于外边界层结构。壁面湍流正是靠它来维持, 在循环中准流向涡从主流中吸收能量以形成近壁条纹, 反过来条纹又引起准流向涡。他们认为准流向涡是湍流表面摩擦力的直接原因, 减弱这种涡就可获得降阻。因而提出干扰这种再生循环的任意部分都可以实现减阻。他们认为壁面振动减阻机理也在于振动干扰了准流向涡的再生循环。
4.6 联合减阻
一些学者进行了多种减阻方法联合使用的减阻研究。主要是肋条减阻与其它减阻方法的联合使用。
4.6.1 肋条与聚合物联合
诺丁汉姆大学的Choi 进行了一系列的结合利用肋条面和聚合物涂层来实现湍流减阻的试验。试验采用美洲杯冠军赛艇澳洲2 号的1: 3 模型, 以不同的拖曳速度进行了的测试。结果表明这种复合装置与单纯的沟槽或聚合物涂层相比, 降阻效果有了全面的增强, 减阻达整个流动阻力的35% 。但是有的研究结果却表
明减阻无太大的变化。因此, 肋条和聚合物联合减阻的技术尚须进一步深入研究。
4.6.2 肋条与微气泡联合
微气泡层能大大减小水中运行物的表面摩擦阻力, 但是要在实际物体表面形成微气泡层却很难做到, 如船舶运行, 即使在其表面形成微气泡层的技术可以实现, 但需要的气泵及其所需的能量也大得惊人, 实际无法实现。因此需要研究微气泡与其他减阻技术的联合。Beed 和Weinstein 研究了肋条和微气泡的联合减阻, 他们认为沿肋顶端的横向表面张力可在近壁区产生/ 稳定气泡层0, 从而使阻力减小; 形成气泡层所需要的空气量也大为减少; 他们的实验表明,当表面摩阻减小50%时, 所需的空气量仍然少于光滑表面所需要的量。他们还研究了高接触角( 聚四氟乙烯) 的表面活化剂、深窄槽和切向空气射入, 对边壁空气层稳定性的影响。他们发现, 这些措施都会增加边壁空气层的稳定性和减少所需空气的用量。
4.6.3 肋条和吸气或吹气联合
God_el_Hak 和Black welder 进行过肋条和吸气或吹气联合减阻试验, 他们建议用肋条固定低速条带,在肋顶部间歇地吸气, 以减弱边壁涡的强度, 甚至消除边壁涡。他们的实验表明, 用小量的吸气, 对消除由于加肋而产生的猝发现象很有效。Wilkinson 研究过薄矩形肋的顶部吸气、肋槽中吹气的减阻效应。结果表明在基面或肋顶部吸气, 或在肋槽中吹气, 都能抑制边壁涡的诱导速度, 从而使涡强减弱; 在肋顶部或基面上吹气, 或在肋槽中吸气, 能增强边壁涡的涡强。边壁涡强的减小或增加, 与表面摩阻的减小和增加有强烈的关系, 因此吸气和吹气对减阻有一定的作用。
湍流减阻的意义及工程应用 摘要：伴随着世界性能源危机的逐渐加剧，节能减排已经成为大势所趋，在能源运输的过程之中，摩擦阻力是主要的耗能来源，所以研究湍流减阻意义十分的重大。为此本文将对于湍流减阻的意义及工程应用展开有关的论述。本文首先论述了推流减租的意义，之后详细的论述了其工程上面的应用。含有肋条、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应用现状，并着重强调了各自的减阻机理。 关键词：能源危机湍流减阻减阻机理 引言 伴随着全球能源消耗的不断提升，科学家门已经将越来越多的警力投入到如何有效的利用与保护能源领域上面。车辆、飞机以及船舶、油气长输管道的数量快速的增加，所以设法减少这些运输工具表面的摩擦阻力，成为人们研究发展节约能源的新技术含有的突破点[1]。 1湍流减阻的意义 节约能源消耗是人类一直追求的目标，其主要的途径就是在各种运输工具设计之中，尽可能的减少表面的摩擦阻力。表面摩擦阻力在运输工具总阻力之中占据很大的比例，在这些运输工具表面的发部分区域，流动都是处于湍流的状态，所以研究推流边界层减租意义十分的重大，已经引起广泛的重视，同时已经被NASA列为21实际航空关键技术之一[2]。 有关减租问题的研究可以追溯到上世纪的30年代，不过一直到上世纪的60年代中期，研究工作主要围绕减小表面的粗糙程度，隐含的假设光滑表面的阻力最小。到了70年代，阿拉伯石油禁运由此引发的燃油价格上涨激起了持续至今的推流减租研究与应用潮流，经过多年的发展，尤其是湍流理论的发展，使得湍流减阻理论与应用都是取得了突破性的进展[3]。
2湍流减阻的工程应用 2.1肋条减阻 20世纪70年代，NASA研究中心发现具有顺流向微小肋条的表面可以有效的降低臂面的摩擦阻力，从而突破了表面越光滑阻力越小的传统思维模式，肋条减阻成为湍流减阻技术研究热点[6]。 最近几年，为了最大限度的实现减租，人们对于肋条进行了很多的实验与应用优化设计[7]。德国的Bechert和Brused等使用一种测量阻力可以精确度达到±0.3%的油管对于各种肋条表面的减阻效果进行了研究。其测试了多种形状的肋条，含有三角形、半圆以及三维肋条，实验的结果显示V形肋条减阻效果最好，可以达到10%以上的减阻幅度[8]。大量的研究工作显示肋条表面减阻的可靠性与可应用性，国外的研究已经进入到了工程实用阶段，空中客车将A320试验机表面积约70%贴上肋条薄膜，到达了节油2%左右。NASA兰利中心对于Learjet 型飞机的飞行试验结果减阻大约在6%左右。国内的李育斌在1:12的运七模型上具有湍流流动的区域顺流向粘贴肋条薄膜之后，试验表面可以减小飞机阻力8%左右[9]。 2.2壁面振动减阻 壁面振动减阻是20世纪90年代才出现的一种新的方法，米兰大学的Baron和Quadrio 利用直接的数字模拟技术研究了壁面振动减阻的总能量节约效果，其发现在壁面振动速度振 幅在大于： h QX8/ 3时，不会节约能源，而是在比较小的振幅时候能量才有节约[10]。 这个里面Qx表示流量，h表示湍流明渠流高度的一半。在振幅为 h QX4/的时候，可 以净节约多达10%的能量。因为试验都是在固定无因次周期为T+=100下进行的，所以人们认为如果应用条件适当，还能节省更多的能量[11]。 2.3仿生减阻 海洋生物长期生活在水中，经过漫长的岁月，进化出了效率很高的游动结构，表面摩擦阻力也相当的低。所以通过仿生学的研究，设计出减阻效果更好的结构，也变成了研究的热点。Bechert对于一种模拟鸟类羽毛被动流体分离控制的方法进行了风洞的测试，在迅游环境里面，对层流翼部分的活动襟翼的测试结果表明机翼上的最大升力增加了20%而未发现有负面影响。一架电动滑翔机飞行测试纪录的阻力数据也证明了这一点[12]。
湍流减阻意义与工程应用 摘要：湍流减阻的原理与粘性减阻的定义应用，高分子聚合物在湍流中的原理解释，从不同的方向阐述了当今流体湍流减阻的研究成果，展现了湍流减阻的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流减阻的前景,并对湍流减阻的发展提出了一些建议和设想。 关键词：湍流减阻；粘性减阻；高分子聚合物；湍流 Turbulent drag reduction significance and engineering application Abstract: the principle of turbulent drag reduction and viscous drag reduction the definition of the application of polymer in the turbulence theory to explain, in different directions this paper expounds the current research achievements of fluid turbulent drag reduction, showed the in-depth of turbulent drag reduction for the important role of science and technology and social development, the outlook of the turbulent drag reduction, and puts forward some Suggestions on the development of turbulent drag reduction and ideas Key words: turbulent drag reduction; Viscous drag reduction; Polymer; turbulence 人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。经过一百多年的研究工作，人们的认识日益深化,预测方法不断改进。随着我国飞速发展，所需的战略型资源--化工石油越发紧缺【1】。同时，随着我国大部分油田开发进入中后期，采出油品的流动性不断恶化，使得管道输送阻力急剧增大，运营成本剧增。因此如何降低石油及其产品的管输阻力成为国内外众多学者研究的热点和难点问题。 自从Toms,Kramer先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现减阻以来,减阻现象与边界剪切湍流产生的基本规律密切相联【2-3】。粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件,依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流动的运动和动力学特性,从而达到减阻目的的技术【4】。 1、粘性减阻 当粘性流体沿边界流过时,由于在边界上流速为零,边界面上法向流速梯度异于零,产生了流速梯度和流体对边界的剪力。边壁剪力作功的结果消耗了流体中部分能量,并最终以热量形式向周围发散。边界面的粗糙程度,决定微观的分离和边界的无数小旋涡几何尺寸的差 异,从而决定流体能量消散的差异和阻力系数的差异[5～7]。如想达到粘性减阻,首先要实现壁的光滑减阻;就要改变层流边界层和湍流边界层中层流附面层的内部结构: 1)减小层流边界层和层流附面层贴近边界处的流速梯度值和流体对边界的剪力,减小通过粘性直接发散的能量值,达到减阻。 2)增大层流边界层和层流附面层的厚度,从而达到减阻【8-10】。
高尔夫球运动中的流体力学 “高尔夫”是GOLF 的音译，由四个英文词汇的首字母缩写构成。它们分别是：Green ，Oxygen ， Light ， Friendship ，意思是"绿色，氧气，阳光，友谊"，它是一种把享受大自然乐趣、体育锻炼和游戏集于一身的运动。[1]如今，现代高尔夫球运动已经成为贵族运动的代名词，是中国古代一种名为“捶丸”的球戏演变而来的。 1 高尔夫球的发展历史 高尔夫球最早是用木制的，中国的捶丸的“丸”或“俅”是用“痪木”，即木疙瘩制成。后来，西方改用皮革内充以羽毛来缝制。不过这种球有一个大缺点，就是当球被打入水中或被露水粘湿时，重量会增加。[2]直到1845年，开始改用橡胶或塑胶压制而成的光滑圆球，这种球优点是不会因为被水湿了而大大加重，但是球飞行的距离却大为缩短。 后来，人们发现，用旧了的有划痕的高尔夫球，反而可以打得更远。为什么表面粗糙了，飞行反而远了呢？这里面大有学问。 早在1910年，著名物理学家J.J.Thomson 就发表了这方面的研究论文[3]，相继的研究工作导致了为让球飞得更远，在球的表面上采用了布满小凹痕的设计。事实上一个表面光滑的球，职业选手击出后的飞行距离，大约只是布满凹痕球的一半。粗糙的表面可降低空气阻力的道理涉及“边界层”的概念。 2 边界层理论 边界层理论的基本想法是，在黏性系数很小的情形，可将整个流场分做两部分处理，黏性只表现在附着于物体表面上的边界层内；从表面向外，边界层中气流的速度从零逐渐加大到与外部气体流速相同，不同速度层间存在摩擦损耗，对于边界层以外的流体，则完全略去黏性力的影响，用理想流体的理论处理，并将得到的解作为边界层外缘的边条件，这样整个问题可得到解决，边界层的厚度21 Re d ≈δ，其中d 为球的直径。 3 高尔夫球效应的原理 物体或高尔夫球在空气中飞行，最早空气被想象为没有黏性的，或者说是没有摩擦的。这时流过物体表面的流体质点和物体表面质点的速度可以不同，它们之间是有正压力却没有切向力，这就好像把重物体在另一物体的水平面上拖着走时没有阻力一样。人们把这种没有黏性的流体称为理想流体。按理说，在理想流体中飞行的物体是没有阻力的，在地面上的抛体，即使是抛一根稻草，它的飞行距离可以和扔石头一样远。不过这和实际观察到的现象完全不符合，物体在空气中飞行时的阻力是绝对不可忽略的。最早认识到这个矛盾的是法国学者达朗伯尔，所以这个矛盾也被称为“达朗伯尔佯谬”。[4] 由于空气阻力的作用，按说应该是光滑的物体受到的空气阻力小才对，不过流体作用在运动物体上的阻力还要复杂一些，除了上面的这种由流体的黏性引起的阻力外，还有一种由于流场改变所产生的阻力，即压差阻力。而且在物体运动
第4章湍流的统计特性及对激光大气传输的影响分析 激光大气传输湍流效应本质上就是光在湍流大气中的传播问题。20世纪50年代前苏联学者Tatarskii引入Kolmogorov和Obukhov发展的湍流统计理论，求解湍流大气中波传播方程，取得的一些理论结果相当好地解释了在此以前所取得的实验结果，从而奠定的光波在湍流大气中传播的理论基础。然而，由于激光在湍流大气中的传播是一个十分复杂的随即非线性过程，特别是大气湍流存在的间歇性，对激光传输有着难以估计的影响。 4.1大气湍流的成因 在大气中，任一点的大气运动速度的方向和大小无时无刻不发生着不规则变化，产生了各个大气分子团相对于大气整体平均运动的不规则运动，这种现象称为大气湍流。通常情况下大气都处于湍流状态，大气的随机运动产生了大气湍流，由于大气湍流的存在，大气温度和折射率也时刻发生着不规则的变化。形成大气湍流的原因大致有四点。第一，太阳的照射造成的大气温度差，太阳辐射对地表不同地区造成加热不同;第二，地球表面对气流拉伸移位导致了风速剪切;第三，地表热辐射产生了热对流;第四，伴随着热量释放的相变过程(沉积、结晶)导致了温度和速度场变化。图4.1形象的表述了湍流的形成。
上图是英国的物理学家形chardson描绘的湍流的一个级串模型，虽然湍流的运动很复杂，但通过上图仍能对湍流有一个形象的认识。上图表示湍流含有尺度不同的湍涡，而各种能量从大尺度湍涡一步一步向小尺度湍涡传递。外界的能量传递给第一级大湍涡，由于受风剪切等因素的影响，大湍涡逐渐变得不稳定形成次级小湍涡，小湍涡再次失稳后再形成更次一级的许多小湍涡。从图中可以看出，湍涡的大小有限，最大的湍涡的尺寸大小是外尺度 L，最小的湍涡是内尺度0l。 尤其重要的是，这些大大小小的湍涡没有分散存在于大气中，而是交叉重叠的存在于大气中。 4.2 Kolmogorov-Oboukhov湍流统计理论 虽然迄今为止人们对湍流的基本物理机制尚还不十分清楚，但已形成几个公认的基本概念，包括随机性、涡粘性、级串、和标度率。随机性构成了湍流统计理论的基础；涡粘性揭示了湍流相近尺度间的相互作用行为；级串给了我们最直观、最明晰的湍流图像；标度律则成为物理上定量研究湍流问题的数学手段。 在直观的湍流现象中，Richardson首先给出了湍流的级串图：湍流中存在着不同尺度间的逐级能量传递，由大尺度湍涡向小尺度湍涡输送能量。第一级大湍涡的能量来自外界，大湍涡失稳后形成次级的小湍涡，再失稳后产生更次一级的小湍涡。在大雷诺数下，所有可能的运动模式都被激发。 基于Richardson级串模型。Kolmogorov认为在大雷诺数下，这些不同尺度的湍
由于航发燃烧室中的流动特性极其复杂，要想提高数值计算的预测能力,必须要慎重选择湍流模型。用四种不同的湍流模型对带双径向旋流杯的下游流场进行数值模拟,将计算结果与实验结果作对比，比较各湍流模型的原理和物理基础，优劣，并分析流场速度分布和回流区特性。 涉及的湍流模型： 标准k-ε湍流模型（SＫE) １标准k-ε湍流模型有较高的稳定性,经济性和计算精度，应用广泛,适合高雷诺数湍流，但不适合旋流等各向异性较强的流动。 2简单的湍流模型是两个方程的模型，需要解两个变量，即速度和长度。在fｌｕｅｎt中，标准 k-ε湍流模型自从被Lauｎdeｒand Spalｄing 提出之后，就变成流场计算中的主要工具。其在工业上被普遍应用,其计算收敛性和准确性都非常符合工程计算的要求。 3但其也有某些限制,如ε方程包含不能在壁面计算的项，因此必须使用壁面函数。另外，其预测强分离流,包含大曲率的流动和强压力梯度流动的结果较弱。 它是个半经验的公式,是从实验现象中总结出来的。 动能输运方程是通过精确的方程推导得到,耗散率方程是通过物理推理，数学上模拟相似原型方程得到的。 应用范围：该模型假设流动为完全湍流，分子粘性的影响可以忽略,此标准κ－ε模型只适合完全湍流的流动过程模拟。 可实现的ｋ-ε模型是才出现的,比起标准k-ε模型来有两个主要的不同点：·可实现的k－ε模型为湍流粘性增加了一个公式。 ·为耗散率增加了新的传输方程,这个方程来源于一个为层流速度波动而作的精确方程。 术语“rｅalizablｅ”,意味着模型要确保在雷诺压力中要有数学约束，湍流的连续性。 应用范围： 可实现的k-ε模型直接的好处是对于平板和圆柱射流的发散比率的更精确的预测。而且它对于旋转流动、强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流有很好的表现。 可实现的k－ε模型和RＮG k－ε模型都显现出比标准k－ε模型在强流线弯曲、漩涡和旋转有更好的表现。由于带旋流修正的k-ε模型是新出现的模型，所以还没有确凿的证据表明它比ＲＮＧｋ－ε模型有更好的表现。但是最初的研究表明可实现的k-ε模型在所有k-ε模型中流动分离和复杂二次流有很好的作用。 该模型适合的流动类型比较广泛,包括有旋均匀剪切流,自由流(射流和混合层）,腔道流动和边界层流动。对以上流动过程模拟结果都比标准k-ε模型的结果好，特别是可再现k－ε模型对圆口射流和平板射流模拟中,能给出较好的射流扩张。
目录 1研究的背景和意义 (2) 2表面活性剂减阻机理及影响因素 (6) 2.1湍流减阻基本概念 (6) 2.1.1从微观结构角度对表面活性剂湍流减阻机理的解释 (7) 2.1.2从湍流物理角度对湍流减阻机理的解释 (7) 2.2影响表面活性剂减阻的因素 (10) 2.2.1烷基 (10) 2.2.2烷基链头基 (11) 2.2.3 烷基链长度 (11) 2.2.4表面活性剂的浓度 (11) 2.2.5 补偿离子 (11) 2.2.5.1补偿离子的浓度 (11) 2.2.5.2补偿离子的疏水性与亲水性 (12) 2.2.5.3补偿离子的电荷性质以及电荷数 (12) 2.3其他因素的影响 (12) 2.3.1管路系统的直径 (12) 2.3.2流体介质的速度和温度 (13) 2.3.3环境中的金属离子 (13) 2.3.4雷诺数的影响 (13) 2.4表面活性剂减阻方程式的介绍 (13) 2.4.1粘弹性流体的剪力及湍流运动方程 (14) 3表面活性剂的国内外研究及运用状况 (15) 3.1国外的研究状况 (15) 3.2国内的研究状况 (16) 4主要研究的方法和内容 (17) 4.1研究的内容 (17) 4.2研究方法 (17) 4.2.1流变模型及数值模拟研究 (17) 4.2.2尺度放大的研究方法 (19) 5前景与展望 (21)
1研究的背景和意义 如今随着世界能耗的不断增加，能源问题一直是比较棘手的问题，特别像我国人口众多的国家，人均资源占有量远低于世界的平均水平，且对于能源的需求更加巨大，所以节约能源对于中国来说乃至于对于全世界来说是相当重要的大事。能源的消耗重要发生在能源交通运输过程中，且表面摩擦占很大的比例。而在长距离的管道运输过程中，泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦力。而由于表面摩擦阻力的存在，会将油气由层流状态转变为湍流状态，所以湍流减阻对长距离的管道输油具有重要的意义，已引起了广泛的重视。 在长距离管道流体输运中，绝大部分的流体输送能耗来源于管道壁面的摩擦阻力。对于能源紧缺的今天，尤其是像我国这样处于发展中且人均资源占有量较低的国家来说，节约能源以及能源的高效利用已经成为了当前研究的重点和亟待解决的问题。减阻添加剂的使用能极大地减少流体在壁面的摩擦阻力，减阻效果高达80%，具有重要的节能价值。相比于聚合物减阻剂，表面活性剂具有可逆的机械降解性质，在高剪切力场合以及封闭式循环系统如集中供暖系统中有着极大的优势以及更为广泛的应用前景。 由于表面活性剂溶液在不同的剪切力作用下，其内部的单体分子会形成不同形状的微观胶束结构，比如球状、棒状、蠕虫状、网状等，而这些不同的微观结构又能够影响表面活性剂溶液的流变性能，使其在不同剪切力下表现不同的流变特性；而流变特性又会影响流体内部的湍流结构，从而进一步影响表面活性剂溶液的减阻性能。因此，为了认识表面活性剂溶液的内在减阻机理，对其微观结构、流变特性及流体内部湍流结构的研究成为了国内外众多学者关注的焦点之一。 然而，表面活性剂在高效减阻的同时，其换热性能将会极大地恶化，这主要是由其内部微观结构对流体湍流强度的抑制作用造成的，从而导致了表面活性剂溶液传热性能恶化的现象。因此，为了进一步扩大表面活性剂在换热领域的应用，其强化传热也成为了研究的焦点。 当表面活性剂溶液发生减阻作用时，其流体内部的湍流涡结构会受到由表面活性剂形成的剪切诱导结构的抑制，从而使湍流结构发生改变。这一特点则为通过影响湍流结构实现减阻的其它减阻方法提供了可能的条件，为表面活性剂与其它适当的减阻方式相结合的耦合减阻研究提供了指导。因此，表面活性剂与其它减阻方式耦合进行高效湍流减阻的研究也是当前的研究热点。 综上所述，为了全面认识表面活性剂溶液的减阻机理，提高其在节能方面的应用价值和范围，就需要对其微观结构、流变特性、减阻特性、湍流结构特征、强化传热以及与其它减阻方法协同作用耦合特性进行系统的研究。本文对作者近年来在表面活性剂湍流减阻方面的最新研究进展进行综述，并与其它同类研究进行了对比分析。首先总结分析表面活性剂溶液结构、复杂流变特性和湍流结构及其与减阻和换热性能之间的内在联系，然后阐述表面活性剂和壁面微沟槽协同作用减阻性能与机理，并介绍表面活性剂减阻的实际工程应用，最后对表面活性剂减阻在今后的研究重点提出建议。 湍流减阻对提高能源的利用率、保护生态坏境等都有重要的意义。近年来国际学术界对湍流减阻的基础和运用研究十分重视，每年都要召开有关于湍流减阻的学术会议，湍流减阻已经发展成为当今流体力学及流体工程界的一个热门学科。添加剂湍流减阻技术作为湍流减阻重要的一个分支，是指在管道中的流体湍流流
一般来说，DES和LES是最为精细的湍流模型，但是它们需要的网格数量大，计算量和内存需求都比较大，计算时间长，目前工程应用较少。 S-A模型适用于翼型计算、壁面边界层流动，不适合射流等自由剪切流问题。 标准K-Epsilon模型有较高的稳定性、经济性和计算精度，应用广泛，适用于高雷诺数湍流，不适合旋流等各相异性等较强的流动。 RNG K-Epsilon模型可以计算低雷诺数湍流，其考虑到旋转效应，对强旋流计算精度有所提供。 Realizable K-Epsilon模型较前两种模型的有点是可以保持雷诺应力与真实湍流一致，可以更加精确的模拟平面和圆形射流的扩散速度，同时在旋流计算、带方向压强梯度的边界层计算和分离流计算等问题中，计算结果更符合真实情况，同时在分离流计算和带二次流的复杂流动计算中也表现出色。但是此模型在同时存在旋转和静止区的计算中，比如多重参考系、旋转滑移网格计算中，会产生非物理湍流粘性。因此需要特别注意。专用于射流计算的Realizable k-ε模型。 标准K-W模型包含了低雷诺数影响、可压缩性影响和剪切流扩散，适用于尾迹流动、混合层、射流、以及受壁面限制的流动附着边界层湍流和自由剪切流计算。 SST K-W模型综合了K-W模型在近壁区计算的优点和K-Epsilon模型在远场计算的优点，同时增加了横向耗散导数项，在湍流粘度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，适用更广，可以用于带逆压梯度的流动计算、翼型计算、跨声速带激波计算等。 雷诺应力模型没有采用涡粘性各向同性假设，在理论上比前面的湍流模型要精确的多，直接求解雷诺应力分量（二维5个，三维7个）输运方程，适用于强旋流动，如龙卷风、旋流燃烧室计算等。 ！！！！！ 所以在选择湍流模型时要注意各个模型是高雷诺数模型还是低雷诺数模型，前者采用壁面函数时，应该避免使用太好（对壁面函数方法）或太粗劣（对增强函数处理方法）的网格。而对于低雷诺数模型，壁面应该有好的网格。另外fluent 对壁面函数除了有增强处理以外，还有非平衡处理。（FLUENT首选标准壁面方程组，它能很好的计算出以壁面为边界的流动情况。但是，当流体流动分离太大。以致于远远偏离了理想条件时，就不太适用了，在其他情况下，剪切应力及平衡假设大大限制了壁面方程的通用性。相应的，当近壁面流动处于高压之下时，当流动处于不平衡状态时，这些假设就不在成立了。不平衡方程组提供了处理以上情况的方法）非平衡壁面函数被推荐使用在包含脱流、回流和冲击的复杂流动当中。 但是考虑到壁面函数的局限性（对近壁面的影响无效），壁面函数方法的局限性（y+应用于壁面函数） 标准的壁面函数能够为大多数高雷诺数的边界限制流提供合理、精确的预测。而非平衡
目录 1研究的背景和意义 (3) 2表面活性剂减阻机理及影响因素 (6) 湍流减阻基本概念 (6) 从微观结构角度对表面活性剂湍流减阻机理的解释 (7) 从湍流物理角度对湍流减阻机理的解释 (8) 影响表面活性剂减阻的因素 (11) 烷基 (11) 烷基链头基 (12) 烷基链长度 (12) 表面活性剂的浓度 (12) 补偿离子 (13) 补偿离子的浓度 (13) 补偿离子的疏水性与亲水性 (13) 补偿离子的电荷性质以及电荷数 (13) 其他因素的影响 (13) 管路系统的直径 (13) 流体介质的速度和温度 (14) 环境中的金属离子 (14) 雷诺数的影响 (15) 表面活性剂减阻方程式的介绍 (15) 粘弹性流体的剪力及湍流运动方程 (15) 3表面活性剂的国内外研究及运用状况 (16) 国外的研究状况 (16)
国内的研究状况 (16) 4主要研究的方法和内容 (16) 研究的内容 (16) 研究方法 (17) 流变模型及数值模拟研究 (17) 尺度放大的研究方法 (19) 5前景与展望 (21)
1研究的背景和意义 如今随着世界能耗的不断增加，能源问题一直是比较棘手的问题，特别像我国人口众多的国家，人均资源占有量远低于世界的平均水平，且对于能源的需求更加巨大，所以节约能源对于中国来说乃至于对于全世界来说是相当重要的大事。能源的消耗重要发生在能源交通运输过程中，且表面摩擦占很大的比例。而在长距离的管道运输过程中，泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦力。而由于表面摩擦阻力的存在，会将油气由层流状态转变为湍流状态，所以湍流减阻对长距离的管道输油具有重要的意义，已引起了广泛的重视。 在长距离管道流体输运中，绝大部分的流体输送能耗来源于管道壁面的摩擦阻力。对于能源紧缺的今天，尤其是像我国这样处于发展中且人均资源占有量较低的国家来说，节约能源以及能源的高效利用已经成为了当前研究的重点和亟待解决的问题。减阻添加剂的使用能极大地减少流体在壁面的摩擦阻力，减阻效果高达80%，具有重要的节能价值。相比于聚合物减阻剂，表面活性剂具有可逆的机械降解性质，在高剪切力场合以及封闭式循环系统如集中供暖系统中有着极大的优势以及更为广泛的应用前景。 由于表面活性剂溶液在不同的剪切力作用下，其内部的单体分子会形成不同形状的微观胶束结构，比如球状、棒状、蠕虫状、网状等，而这些不同的微观结构又能够影响表面活性剂溶液的流变性能，使其在不同剪切力下表现不同的流变特性；而流变特性又会影响流体内部的湍流结构，从而进一步影响表面活性剂溶液的减阻性能。因此，为了认识表面活性剂溶液的内在减阻机理，对其微观结构、 流变特性及流体内部湍流结构的研究成为了国内外众多学者关注的焦点之一。 然而，表面活性剂在高效减阻的同时，其换热性能将会极大地恶化，这主要是由其内部微观结构对流体湍流强度的抑制作用造成的，从而导致了表面活性剂溶液传热性能恶化的现象。因此，为了进一步扩大表面活性剂在换热领域的应用，其强化传热也成为了研究的焦点。 当表面活性剂溶液发生减阻作用时，其流体内部的湍流涡结构会受到由表面活性剂形成的剪切诱导结构的抑制，从而使湍流结构发生改变。这一特点则为通过影响湍流结构实现减阻的其它减阻方法提供了可能的条件，为表面活性剂与其它适当的减阻方式相结合的耦合减阻研究提供了指导。因此，表面活性剂与其它减阻方式耦合进行高效湍流减阻的研究也是当前的研究热点。 综上所述，为了全面认识表面活性剂溶液的减阻机理，提高其在节能方面的应用价值和范围，就需要对其微观结构、流变特性、减阻特性、湍流结构特征、强化传热以及与其它减阻方法协同作用耦合特性进行系统的研究。本文对作者近年来在表面活性剂湍流减阻方面的最新研究进展进行综述，并与其它同类研究进行了对比分析。首先总结分析表面活性剂溶液结构、复杂流变特性和湍流结构及 其与减阻和换热性能之间的内在联系，然后阐述表面活性剂和壁面微沟槽协同作
大气湍流的复原 研究背景与意义 21 世纪以来，美国、欧空局、俄罗斯等空间科技强国都相继提出了新的空间发展规划。特别的，美国自特朗普上台后提出太空政策，加大对太空探索的投资力度，并积极开展多个民用太空项目。根据我国至2030 年空间科学发展规划，我国将建立以覆盖多个热点领域的空间科学卫星为标志的空间科学体系[1]，通过发展系列空间科学计划，牵引和带动我国在空间目标识别与监视、深空测绘乃至其他重要科技领域的创新与突破，推动我国高科技产业的跨越式发展。而对空间目标的姿态、形状、特征以及太空星体表面的地形地貌进行高精度识别与判读，都需要采用光学成像系统对其观测与监视，从而获取足够数量的影像资料，从这些影像资料中提取使用者所期望的感兴趣信息。 由于地面受到太阳辐射作用，造成大气中分子和由悬浮粒子构成的离散混合介质的不规则热运动，使得大气呈现出非稳态性和随机性，这种现象称之为大气湍流现象。当光波穿过空间大气层时，由于大气中湍流介质中各处的压强、温度、湿度以及物理特性的随机变化，使得射出湍流介质的波阵面不再保持平面特性。因此，光学成像系统中的传感器透过大气对目标物或场景进行观测时，由于近地面的大气湍流强度在空间和时间上分布的差异，造成湍流介质内的空气折射率的随机涨落。这会导致光波到达像面的振幅和相位的随机起伏，从而导致光束扩散、波面畸变、像点漂移等现象[2][3]，使得目标在成像设备上会产生严重的模糊和降质。大气对成像系统的影响主要包括：1）空间对地高分辨率遥感观测中，卫星或航天飞机对地面目标进行跟踪和监视。2）在地基成像观测系统中，自适应光学望远镜对卫星、行星以及其他宇宙天体进行识别与探测。3）在高速飞行器成像制导系统中，使用激光器对目标实施打击的过程（如图1.1 所示）。由于大气湍流的干扰，飞行器上发射的激光束产生随机扩散与畸变，严重减弱了激光器的打击精度，因此有效的减弱大气湍流的影响，避免激光器的能量扩散和路径偏移是十分必要的。 （a）美国战略导弹防御系统机（b）激光器打击导弹 （c）理想情况下激光束的能量分布（d）受大气湍流干扰的激光束能量分布 图1.1 美国战略导弹防御机系统 在地基空间目标观测过程中，大气湍流扰动的存在，使得光学望远镜的分辨率不再由其理论衍射极限来决定，而取决于其大气相干长度。当光学系统对受到大气湍流干扰的光波进行成像时，其分辨率不会超过口径为0r 的光学系统衍射极限分辨率，其中0r 就是大气相干长度的大小[4]。0r 值越大，表示大气整体湍流强度越小。如果口径数米乃至数十米的光学望远镜在没有自适应补偿系统的条件下，通过空间大气层对近地卫星、行星或其他星体进行观测成像时，由于受到大气湍流的影响，其成像分辨率不会超过口径为分米级小型望远镜[5]，且获取的图像会出现模糊与抖动，这严重降低了观测图像的研究价值。针对大气湍流的扰动问题，目前研究人员提出了两种解决方案：1）发射太空望远镜（如美国哈勃望远镜、康普顿望远镜）。但是太空望远镜不仅造价和发射耗资巨大，而且出现故障不易检测和维护。望远镜如果没有补偿措施，在太空中会受到太空低温、失重环境导致镜面畸变，同样会观测图像出现模糊和降质。2）采用自适应光学补偿系统和波后复原技术。首先通过自适应光学系统对光波波前畸变进行实时补偿和校正，其后基于数字图像处理技术对目标受抑制的中高频信息进行恢复和重建，最终获得目标的高清晰图像。 在遥感对地观测领域，由于大气湍流干扰、卫星平台的不稳定振动、传感器与被拍摄目标之间的相对运动、光学成像系统的离焦和散焦等因素，再加上传感器在数据传输、扫描成像时引入的噪声，都会导致遥感图像的降质和退化。然而研究人员希望获取纹理和边缘清晰、易
目录 1 研究的背景和意义. (3) 2 表面活性剂减阻机理及影响因素 (7) 2.1 湍流减阻基本概念 (7) 2.1.1 从微观结构角度对表面活性剂湍流减阻机理的解释 (8) 2.1.2 从湍流物理角度对湍流减阻机理的解释 (9) 2.2 影响表面活性剂减阻的因素 (13) 2.2.1 烷基 (13) 2.2.2 烷基链头基 (13) 2.2.3 烷基链长度 (13) 2.2.4 表面活性剂的浓度 (14) 2.2.5 补偿离子 (14) 2.2.5.1 补偿离子的浓度 (14) 2.2.5.2 补偿离子的疏水性与亲水性 (14) 2.2.5.3 补偿离子的电荷性质以及电荷数 (14) 2.3 其他因素的影响 (15) 2.3.1 管路系统的直径 (15) 2.3.2 流体介质的速度和温度 (15) 2.3.3 环境中的金属离子 (16) 2.3.4 雷诺数的影响 (16) 2.4 表面活性剂减阻方程式的介绍 (16) 2.4.1 粘弹性流体的剪力及湍流运动方程 (17) 3 表面活性剂的国外研究及运用状况 (18) 3.1 国外的研究状况 (18) 3.2 国的研究状况 (19)
4 主要研究的方法和容 (20) 4.1 研究的容 (20) 4.2 研究方法 (21) 4.2.1 流变模型及数值模拟研究 (21) 4.2.2 尺度放大的研究方法 (23) 5 前景与展望 (25)
1 研究的背景和意义 如今随着世界能耗的不断增加，能源问题一直是比较棘手的问题，特别像我 国人口众多的国家，人均资源占有量远低于世界的平均水平，且对于能源的需求更加巨大，所以节约能源对于中国来说乃至于对于全世界来说是相当重要的大事。能源的消耗重要发生在能源交通运输过程中，且表面摩擦占很大的比例。而在长距离的管道运输过程中，泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦力。而由于表面摩擦阻力的存在，会将油气由层流状态转变为湍流状态，所以湍流减阻对长距离的管道输油具有重要的意义，已引起了广泛的重视。 在长距离管道流体输运中，绝大部分的流体输送能耗来源于管道壁面的摩擦阻力。对于能源紧缺的今天，尤其是像我国这样处于发展中且人均资源占有量较低的国家来说，节约能源以及能源的高效利用已经成为了当前研究的重点和亟待解决的问题。减阻添加剂的使用能极减少流体在壁面的摩擦阻力，减阻效果高达80%，具有重要的节能价值。相比于聚合物减阻剂，表面活性剂具有可逆的机械降解性质，在高剪切力场合以及封闭式循环系统如集中供暖系统中有着极大的优势以及更为广泛的应用前景。 由于表面活性剂溶液在不同的剪切力作用下，其部的单体分子会形成不同形状的微观胶束结构，比如球状、棒状、蠕虫状、网状等，而这些不同的微观结构又能够影响表面活性剂溶液的流变性能，使其在不同剪切力下表现不同的流变特性；而流变特性又会影响流体部的湍流结构，从而进一步影响表面活性剂溶液的减阻性能。因此，为了认识表面活性剂溶液的在减阻机理，对其微观结构、流变特性及流体部湍流结构的研究成为了国外众多学者关注的焦点之一。 然而，表面活性剂在高效减阻的同时，其换热性能将会极恶化，这主要是由 其部微观结构对流体湍流强度的抑制作用造成的，从而导致了表面活性剂溶液传热性能恶化的现象。因此，为了进一步扩大表面活性剂在换热领域的应用，其强化传热也成为了研究的焦点。 当表面活性剂溶液发生减阻作用时，其流体部的湍流涡结构会受到由表面活性剂形成的剪切诱导结构的抑制，从而使湍流结构发生改变。这一特点则为通过影响湍流结构实现减阻的其它减阻方法提供了可能的条件，为表面活性剂与其它适当的减阻方式相结合的耦合减阻研究提供了指导。因此，表面活性剂与其它减阻方式耦合进行高效湍流减阻的研究也是当前的研究热点。 综上所述，为了全面认识表面活性剂溶液的减阻机理，提高其在节能方面的应用价值和围，就需要对其微观结构、流变特性、减阻特性、湍流结构特征、强化传热以及与其它减阻方法协同作用耦合特性进行系统的研究。本文对作者近年来在表面活性剂湍流减阻方面的最新研究进展进行综述，并与其它同类研究进行了对比分析。首先总结分析表面活性剂溶液结构、复杂流变特性和湍流结构及 其与减阻和换热性能之间的在联系，然后阐述表面活性剂和壁面微沟槽协同作用减阻性能与机理，并介绍表面活性剂减阻的实际工程应用，最后对表面活性剂减阻在今后的研究重点提出建议。
2.1 大气折射率 在光学频率范围内，对流层（高度<17km）中的地球大气的空气折射率表示如下： n=1+77.6（1+7.52×10-3λ-2）（p/T）×10-6 （2.1）式中，p是以mbar为单位的大气气压，T是热力学温度，λ是以μm为单位的光波波长，由于地面上温度对n 1 （r）的贡献＜1%，故（2.1）式中忽略了与水汽压相关的项，当然这一项对水上传播光路是不可忽略的。 2. 2 大气湍流描述 自然界中的流体运动存在着二种不同的形式：一种是层流，看上去平顺、清晰，没有掺混现象；另一种是湍流，看上去毫无规则，显得杂乱无章。例如，如果流体以一定的速度流过一个管子，我们可以用带颜色的染料对它进行观察，在流体速度低的时候，流线光滑面清晰，流体处于层流状态；不断增加流体速度，当流速达到一定值时，流线就不再是光滑的了，整个流体开始作不规则的随机运动，流体处于湍流状态。自从1883 年Reynolds 做了著名的湍流实验以来，以Monin-Obukhov 提出的相似理论、Deardorff 提出的大涡模拟、美国Kansas 州观测实验等为代表，大气湍流的研究已经取得了很大的进展和丰硕的成果，并在天气、气候研究和工程实际中获得成功地应用。湍流对大气中声、光和其它电磁波的传播具有极为重要的影响，例如湍流风速、温度和湿度的脉动都会引起声音散射和减弱，大气小尺度光折射率的起伏(称为光学湍流)，会严重影响光的传播和光学成像的质量等等。长期以来，以Tatarskii 的工作为代表，声光电传播的湍流效应大都是按照Kolmogorov 的均匀、平稳和各向同性假设处理的，而实际的湍流经常不满足这些假设，要建立更加完善的波动传播模型就必须考虑湍流的各向异性、以及间歇性的影响。 2. 3 折射率湍流模型 在湍流大气中，折射率在不同地点、不同时刻都是变化的。一方面，我们还不可能对这些变化作出预测；另一方面，即使已知这些变化，要对所有时刻、所有地点的值作出描述实际上也是不可能的。因此，有必要用统计方法来描述这种介质。考虑到湍流大气的折射率是随空间、时间和波长而变化的，因此可用空间、时间和波长的随机函数来描述湍流大气折射率 n(r,t,λ ) = n 0(r,t,λ ) + n 1 (r,t,λ ) (2. 3.1) 在(2.3.1)式中，n 0是n的确定性部分，对湍流大气而言，可近似地取n ≈1 ,n 1 （r,t,λ）表示n(r,t,λ )围绕平均值E[n] = n ≈1的随机涨落。 大气湍流可以用Kolmogorov 理论描述。大气中大的漩涡的能量被重新分配， 随着能量损失，大的湍流的尺寸减小, 直到消散。n 1 的结构函数定义为
4.1 光强起伏（光闪烁）的定义及基本描述 光强起伏（光闪烁）是大气湍流导致的最常见且最明显的光传输效应之一，激光在湍流大气中传输时其光强随时间变化而产生随机起伏的现象被称作为光强起伏（光闪烁），其原因是大气折射率起伏在导致传输激光相位变化的同时，也导致了传输激光的振幅起伏，进而产生散射强度起伏现象，更进一步的原因可认为是由同一光源发出的通过略微不同路径的光线之间的随机干涉所造成。 经典理论认为：光闪烁由尺寸比光束直径小的大气湍流引起，它与湍流的内尺度、外尺度、结构常数及传输距离等因素有关，其幅度特性由接受平面上光强的对数强度方差σI2来表征： σI2=I2?I2 I2 （4.1）光束在湍流大气中传输时，对数振幅满足正态分布，振幅对数满足χ定义为：χ≡ln（A/A0），其中，A为在湍流中传播时实际的光波振幅，A0为未经过湍流扰动的振幅。 设一对数正态分布为高斯随机变量（对数正态分布密度函数具有三个相对读了的参数：χ、σx、I0），其中对数振幅χ的均值为χ，标准偏差为σx，则其概率密度分布函数为： pχΧ= 2πσ ?χ?χ2 σχ （4.2） 其振幅A=A0 expχ。引入概率变换： p A A=pχΧ=ln A dχ dA ,dχ dA =1 A （4.3） 则振幅的概率密度函数为： p A A= 2πσA exp ?1 2σχ2 ln A A0 ?χ 2 ，A≥0（4.4） 闪烁起伏概率分布满足对数正态分布的物理意义是：光场u=u0expχ+jsδ中χ是大量独立前向散射元的和，由中心极限定理可知χ服从正态分布。 4.2 光强闪烁的日变化 大气的湍流运动导致信道上折射率的不均匀起伏，引起光强起伏，表征光强 起伏强弱程度的主要特征量是对数光强起伏方差。它的定义： σln I2=ln I I0?ln I I02（4.5） 其中ln I为瞬时光强的对数值：ln I为平均光强的对数值。在较好的天气下，光强起伏值从太阳出来后开始上升，到中午达到最强，视观察距离的不同起伏值也不同，如果距离很长，起伏值趋于一条直线，达到“饱和”。在这期间，视各地
湍流理论发展概述 一、湍流模型的研究背景 自然环境和工程装置中的流动常常是湍流流动，模拟任何实际过程首先遇到的就是湍流问题，而湍流问题本身又是流体力学理论上的难题。对于某些简单的均匀时均流场，如果湍流脉动是各向均匀及各向同性的，可以用经典的统计理论来分析，但实际上的湍流往往是不均匀的，这就给理论分析带来了极大地困难。这也就引发了对湍流过程进行模拟的想法。 对湍流最根本的模拟方法是在湍流尺度的网格尺寸内求解瞬态的三维N-S 方程的全模拟方法，此时无需引进任何模型。然而由于计算方法及计算机运算水平的限制，该种方法不易实现。另一种要求稍低的方法是亚网格尺寸度模拟即大涡模拟（LES），也是由N-S 方程出发，其网格尺寸比湍流尺度大，可以模拟湍流发展过程的一些细节，但由于计算量仍然很大，只能模拟一些简单的情况，直接应用于实际的工程问题也存在很多问题[1]。目前数值模拟主要有三种方法：1. 平均N-S方程的求解，2.大涡模拟（LES），3.直接数值模拟（DNS），而模拟的前提是建立合适的湍流模型。 所谓的湍流模型，就是以雷诺平均运动方程与脉动运动方程为基础，依靠理论与经验的结合，引进一系列模型假设，而建立起的一组描写湍流平均量的封闭方程组。目前常用的湍流模型可根据所采用的微分方程数进行分类为：零方程模型、一方程模型、两方程模型、四方程模型、七方程模型等。对于简单流动而言，一般随着方程数的增多，精度也越高，计算量也越大、收敛性也越差。但是，对于复杂的湍流运动，则不一定。湍流模型可根据微分方程的个数分为零方程模型、一方程模型、二方程模型和多方程模型。这里所说的微分方程是指除了时均N-S 方程外，还要增加其他方程才能是方程封闭，增加多少个方程，则该模型就被成为多少个模型。
大气湍流中光传播的数值模拟* 马保科1,2， 郭立新1 吴振森1 （1.西安电子科技大学，陕西西安 710071 2.西安工程大学，陕西西安 710048 ） 摘 要 光在大气湍流中传播时，受大气分子、气溶胶等粒子的相互作用，将发生光束扩展、漂移和相干性退化等大气湍流效应，这些因素严重影响了光波的远场特性。文章从大气湍流中光传播的理论研究入手，分析了如何构造较为合理的大气湍流相位屏。进而采用McGlamery 算法，对Kolmogorov 谱下的大气湍流随机相位屏进行了数值模拟，并分析了光波从发射机经湍流大气传播到达接收机时的远场变化特性。研究表明，大气湍流的存在对光的远场传播质量造成很大的影响，研究结果也为大气湍流中与光传播相关的工程应用及自适应光学技术的完善提供了参考。 关键词 大气湍流；McGlamery 算法；相位屏模拟； 大气结构常数； 中图分类号 TP391 文献标识码 A 1 引言 大气湍流是一个相当复杂的随机媒质系统，虽然物理学界对湍流的研究已经历了相当漫长的历史，但因涉及的因素千头万绪，其间的相互作用和关系也错综复杂，人们对其物理本质至今未能做到较为清楚的认识。因此，光在大气湍流中传播问题的研究仍存在理论和实验上的挑战[1,2]。通常，当光在湍流大气中传播时，光束截面内包含着许多的大气漩涡，这些漩涡各自对照射到它的那一部分光束形成衍射作用，可导致光束的强度和相位随机变化，进而表现出光束扩展，大气闪烁和相位起伏等大气湍流效应，从而严重降低了接收机的接收效率。目前，突破大气湍流的影响仍是光在随机介质中传播所要解决的关键问题[3]。早在20世纪中期，苏联的Obukhov 便采用Rytov 平缓微扰法由实验反演湍流特征。在闪烁的饱和现象被发现之后，物理学界又将Markov 近似引入求解光场的统计矩，研究大气湍流下的光场特性[1]。然而，在中等起伏条件下，目前仍没有找到很好的解析处理方法。由于数值模拟能够从光的传播过程出发，较为清楚地反映出所涉及问题的物理本质，因而成为研究湍流效应的主要方法[4]。本文采用McGlamery 算法[5]，对Kolmogorov 谱下的大气随机相位屏进行了数值模拟，进而结合Huygens-Fresnel 原理，模拟了在有无大气湍流的情况下，接收机处光场的变化特性。 2 大气湍流中光的传播 在折射率为n 的随机媒质中，一束波长λ，波数为k （2k πλ=）的单色波的电场E 由Maxwell 波动方程来描述[1,4] 222()2(ln )0k n n ?++??=E r E E (1) 收稿日期: 2010年3月14日 收到修改稿日期：2010年 月 日 基金项目：教育部科技重点项目（105164） 通信作者: 马保科（1972），男，在读博士，副教授，主要从事随机介质中波传播方面的研究。Email: baokema2006@https://www.doczj.com/doc/8b4263606.html,