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叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响随着工业化和科技的不断发展，涡轮机作为一种重要的能量转换器，在能源、航空、船舶、发电等领域得到了广泛应用。
然而，由于涡轮叶尖处的泄漏，使得涡轮机效率降低、热量损失增加、叶轮表面热应力增大等问题日益凸显。
因此，研究涡轮叶尖泄漏的机理和控制方法已经成为涡轮机研究领域的一项重要研究内容。
叶顶凹槽肋条是一种常用的叶尖泄漏控制方法。
在涡轮转子叶尖区域，尤其是高压涡轮上，通常会设置一些凹槽和肋条，以破坏涡流的旋转结构，消耗能量，降低泄漏质量流率。
研究表明，叶顶凹槽肋条的设计和优化对于降低叶尖泄漏和提高涡轮机效率具有重要的影响。
本文将从以下几个方面介绍叶顶凹槽肋条对涡轮转子叶尖泄漏流场的影响：一、叶顶凹槽肋条的作用机理叶顶凹槽和肋条的作用机理主要有两个方面：一是能量损失；二是涡流结构的破坏和调整。
在高压涡轮中，常用的凹槽和肋条数目及尺寸的设计原则是，使得涡流在尽量短的路径上沿着凹槽或肋条产生旋涡流，从而消耗涡流动能，减小涡流动能对叶尖的影响。
此外，凹槽和肋条能够生成明显的横向涡，抑制轴向涡的产生，并从而调整涡流结构，减小涡流的高速区域，改变流场的动态特性，从而减小泄漏流量的大小。
二、叶顶凹槽肋条的设计原则在涡轮叶尖凹槽和肋条的设计中，需要考虑以下几个方面：1、凹槽和肋条的尺寸要与轮毂半径和楔形量匹配，以使涡流在其上产生对轮毂的阻挡作用，降低叶尖泄漏流速。
2、凹槽和肋条的宽度和深度对于流场的影响较大，通常是通过试验和数值模拟的方式进行优化。
3、凹槽和肋条的数量和间距需要平衡阻挡涡流的作用和阻挡流量增加的作用。
三、叶顶凹槽肋条对涡轮叶尖泄漏的影响研究表明，合理的叶顶凹槽和肋条设计可以有效地减小涡流尾迹的width和depth，从而减少叶尖泄漏的流体引起的磨损和热应力，提高涡轮机的效率。
在一些研究中，增加叶顶凹槽和肋条的数量和减小凹槽和肋条间距，对于涡轮机的性能提高和叶片表面的温度分布影响不大，而对于泄漏流的作用较大。
基于气动外形优化和主动流动控制的减阻技术李立; 刘峰博; 梁益华【期刊名称】《《航空科学技术》》【年(卷),期】2019(030)009【总页数】8页(P1-8)【关键词】湍流减阻; 主动流动控制; 外形优化; 空气动力学; CFD【作者】李立; 刘峰博; 梁益华【作者单位】航空工业西安航空计算技术研究所陕西西安 710068【正文语种】中文【中图分类】V211.3现代民用飞机设计取得成功的一个关键是在设计过程中引入数值计算（即CFD）的相关方法和工具。
正如陈迎春总师指出，正是由于在C919飞机气动设计过程通过将先进CFD、优化设计和试验验证等技术无缝结合，才有力保障了“设计具有较强竞争力的先进民用飞机”这一目标的实现[1]。
对大型民用飞机来说，研制更安全、更经济、更环保、更舒适的飞机是民用飞机研制永远追求的发展主题和目标。
而减阻即是实现上述目标的最主要方面。
按照飞机阻力构成，阻力主要分为压差阻力和摩擦阻力，其中，摩擦阻力占到总阻力的50%以上。
因此，瞄准减小摩擦阻力，即使是实现部分目标，也可对飞机的燃油经济性、环保性等指标产生重要影响。
本文论述通过数值手段研究利用气动优化设计和射流非定常控制实现机翼和机身减阻的典型方法及结果，期望工作过程中所发展的方法、流程和工具可为同行提供借鉴和参考。
1 大型民用飞机减阻技术减阻是民用飞机发展的基础科学问题之一。
从人们学会利用空气动力开始，阻力就是飞行器设计中的主要问题。
按照飞机航程估算的Breguet公式[2]，在航程不变的前提下，每增加1个阻力单位（ΔCD = 0.0001）的阻力，则相当于要减少乘客8 人（每位乘客按250lb 体重计算）。
通常大型飞机的阻力系数在0.03 左右，可见即使减小1 个阻力单位的阻力，其效益也非常可观。
减阻也是提高飞机燃油经济性、减小环境污染、提高运营效率的最有效措施。
近年来，为了有效应对全球气候变暖的挑战，各国政府均积极倡导“绿色航空”的发展理念，相继提出国家层面的降噪、减排目标和规划（例如，欧盟在航空愿景2050规划中[3,4]，明确要求达到降低75%的二氧化碳排放和90%的氮化物排放），而要实现这些目标，均与减阻直接相关。
“浅识”摩擦学张家郡（学号：3120100728 序号：045 专业：工科试验班信息）摘要：摩擦力存在与生活每一个角落，对摩擦力的研究是一门经验学科，其影响因素众多且繁杂。
摩擦与磨损关系密切，润滑是为了减少磨损带来的的损失。
近代摩擦学研究有诸多新成果。
关键词：摩擦力、磨损、润滑、仿生摩擦学、纳米摩擦学0 引言摩擦、磨损和润滑的各种现象和问题早已为人们所在意，长期以来，人们对它进行大量研究工作。
古典摩擦理论中存在许多问题，近代摩擦学研究也是很分散的经验主义。
磨损带来巨大的经济损失巨大，润滑可以起到一定的减轻作用。
仿生摩擦学和纳米摩擦学作为两个摩擦领域的前沿，对它们的研究取得了骄人成绩。
1 摩擦力(frictional force)的产生1.1 摩擦力定义当两个相互接触的物体有相对滑动或者滑动趋势时，会产生沿接触面公切线方向的阻力，这种力成为滑动摩擦力，简称摩擦力。
在仅有相对华东趋势而尚未发生滑动时的摩擦力成为经摩擦力；有相对滑动时的摩擦力称为动摩擦力。
1.2 摩擦力分类①干摩擦：表面不存在任何润滑物质的摩擦。
是一种理想状态下（真空）才可实现。
②液体摩擦：摩擦表面具有足够厚的润滑油层，它能将表面完全分隔开来。
摩擦发生在润滑剂内部，属于润滑剂的内摩擦。
③边界摩擦：相对运动的表面间存在着极薄的润滑薄膜时的摩擦，简称边界摩擦。
④混合摩擦：介于以上几种摩擦之间，即接触表面同时出现上述几种摩擦，是生产实际中最常见的一种摩擦状态。
图1图2.冰壶运动图3.自行车的摩擦1.3 古典摩擦定律由摩擦力学的研究发展历史可知，从达芬奇起由阿芒顿、库仑等人对摩擦科学进行的研究形成了古典摩擦定律，它所包含的内容是①摩擦力f的大小和接触面间的法相载荷成正比，即f=μ。
式中μ为摩擦系数。
②摩擦力大小和接触面积的大小无关。
③静摩擦力的极限值大于动摩擦力。
④摩擦力的大小与滑动速度无关。
图4.古典摩擦定律同时这也是初中以来我们一直学习的摩擦力理论，所以在课上老师几次提到摩擦力与接触面积有关的时候我有些不解。
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。
空气动力学研究中面临的挑战与机遇空气动力学研究中面临的挑战与机遇空气动力学是研究物体同气体作相对运动情况下的受力特性、气体流动规律和伴随发生的物理化学变化,在流体力学基础上,随着航空工业和喷气推进技术的发展而成长起来的一个学科。
空气动力学的发展对于航空航天飞行器的研制有着极为重要的意义,是航空航天最重要的科学技术基础之一,对国家安全、经济发展、社会和谐都有着重要和用。
在过去一段时间里,由于航空工业的相对成熟,关于航空领的研究更多的集中于如何通过改进制造过程降低成本,而不再将主要力量投入新技术的研究,但随着国际形势的日益严峻、信息化程度的提高以及航空运输对安全性经济性的要求,航空技术研究面临着更多更新的挑战,使得全球重新提高了对航空技术研究的关注程度。
作为航空航天技术的重要基础学科之一的空气动力学,也面临着全新的机遇和挑战。
1 空气动力学研究意义和研究现状1.1 空气动力学研究意义人们最早对空气动力学的研究可以追溯到人类对鸟或弹丸在飞行时的受力和力的作用方式的种种猜测,但真正形成独立学科是在20世纪航空事业的迅速发展之后,是在经典流体力学中发展并形成的新的分支,并且迅速成为发展航空航天各类飞行器的重要基础科学和关键技术,推动整个人类航空航天事业的发展,成为航空航天事业发展的基础。
如今,空气动力学已经不再仅只是应用于航空航天领域,还被应用于环境保护、公路交通、铁路交通、冶金、建筑、体育等众多领域,对整个人类社会的发展与进步都有着极为深远的影响。
1.2 空气动力学研究现状在20世纪90年代,随着航空工业的迅速发展,使得航空工业整体技术程度相对于其它行业都成熟许多,基于此种原因,在较长一段时间里学界多认为航空工业已经走向成熟,尤其是空气动力技术基础技术方面,因此航空工业的研究将更多的集中于成本费用的降低,而减少了对应用技术的研究重视程度,使得空气动力学的研究相对缓慢。
进入21世纪以后,随着计算机技术、通信技术、飞机设计技术等的发展,人们重新重视起了空气力学的研究,使得空气动力学得到了较好的发展。
A辑第14卷第3期 水动力学研究与进展 Ser.A,V o l.14,N o.3 1999年9月 JOU RNAL O F H YDROD YNAM I CS Sep.,1999肋条减阻①梁在潮 梁 利(武汉水利电力大学,武汉430072) 摘 要 随着世界上能源消耗的不断上升,使人们不得不认真考虑如何有效的保护有限的能源,探求节约能源的新技术和新方法。
湍流减阻就是在这种应用背景下提出的新课题。
经过二十多年的努力,特别是湍流理论的发展,使得湍流减阻理论和应用得到了突破性的进展。
就减阻技术讲,有肋条减阻、聚合物减阻、大涡破碎减阻、吹气和吸气减阻、微气泡减阻等,这些减阻技术一个共同的考虑,就是要控制边界层内的湍流结构,特别是拟序结构,减少湍能的耗损,以达到减阻的目的。
肋条减阻已在世界范围内广泛使用,但其减阻机理和使用条件,还有许多问题尚待解决,本文较为系统地总结和分析了肋条减阻的研究成果,对肋条减阻的机理进行了分析,并对其工程应用提出了建议。
湍流,肋条减阻,减阻技术分类号 O357.51 肋条减阻概念的形成肋条表面(表面上有纵向槽)可减小湍流表面摩阻的设想,是受下面一种或几种概念的启发而形成的。
(1)改变边壁条件,有可能减小表面摩阻;(2)方形管道的角流,有减小表面摩阻的性能;(3)三角形管道的内角,有引起部分流动层流化的性能;(4)快速游动的鲨鱼,可能有改变边界层特性的表皮结构。
早在七十年代初,L iu和L angley进行了如图1所示的矩形肋条改变低速条带结构的试验,图2为其猝发频率变化值。
图中d+=d uΣΜ,s+=suΣΜ,h+=huΣΜ为无量纲值,d和s分别为低速条带宽和条带间距宽,h为肋条高;uΣ为表面摩阻速度;Μ为流体运动粘性系数;f和f s分别为矩形肋表面和光滑表面的猝发频率。
图中三个黑点是L iu的试验点。
这些点明显地表明猝发频率减少了20～25%;而当s+<100为,猝发频率迅速增大,这意味着s+<100为制约低速条带增长的重要区域;他们的试验还表明,当h+=47～70时,D D s=0.97,即阻力减少3～4◊,D和D s分别为矩形肋表面和光滑表面的阻力,也即阻力减少3～4%。
当h+=111时,阻力却增加15◊。
因此,边壁表面加肋能否减阻,与采用的肋高h+和间隔宽s+有重要关系。
1970年John son对鲨鱼的阻力特性进行过研究,他将死鲨鱼在水中拖曳,测量其阻力,得到的结果是,死鲨鱼在水中的阻力高于海豚的阻力8～10倍,他认为褐色鲨鱼的阻力大,是由①本文于1997年7月16日收到。
图1 图2图3 图4 0.033mm 和0.076mm 肋条阻力特性于鲨鱼有砂纸状的粗糙表面。
后来R eif 等人对鲨鱼鳞的结构进行了详细的研究,否定了John 2son 的结论,他们发现,鲨鱼鳞有四种功能:避免磨损、避免寄生虫、减少阻力和发光。
在减阻功能方面,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,但当鲨鱼缓慢地游动时,这种鳞脊结构则不出现,死鲨鱼因鳞的位置已固定,当然无快速游动时的鳞脊结构的出现。
R eif 推测,鲨鱼皮上的鳞脊可使边界层稳定,减小快速游动的阻力。
图3为类似鲨鱼鳞(圆谷陡峰)的流向肋的减阻特性分布,图中D s 为光滑表面的阻力;D 为鲨鱼鳞状的肋条表面阻力。
从图中看出,当s +<30时,阻力可减小7～8%,但应指出,试验的肋在流动方向是连续的。
而鲨鱼鳞是不连续的,两者仍有区别。
2 肋条减阻性能曲线分析2.1 肋条薄膜图4、5为0.033mm ,0.076mm ,0.1145mm ,0.1524mm 的肋条薄膜低速阻力分布特性曲线,图中D D s =1.0的虚线为零减阻线,线以上为阻力增加,线以下阻力减小。
从图中看出,当+403水 动 力 学 研 究 与 进 展 1999年第3期图5 0.1143mm 和0.1524mm 肋条阻力特性 图6 图7 h s >0.6 图8 h s <0.6 图9 图10503梁在潮等:肋条减阻2.2 V 形槽肋条如图6所示的V 形槽肋条,其高h 和间距s 比h s 对阻力起重要影响。
图7和图8为h s >0.6和h s <0.6的V 形槽肋条的阻力分布特性。
从两图中的阻力分布可看出,D D s =1.0的零减阻线与阻力分布的相交点,随比值h s 的减小,s +增加,但最大阻力减小时的s +值,两种情况基本相同,s +≈12。
从应用角度讲,小高横比h s 的肋条更有利,它可在更宽的操作范围内得到阻力减小的效应。
图11 速度分布的对数区移动图 图12 2.3 U 形槽肋条图9为h s =0.5的U 形槽肋条的阻力分布特性,从图中看出,最大的阻力减小值,近似与h s =1.0的V 形槽肋条的相同,大致为D D s =0.925,即减阻7.5%。
2.4 矩形肋条L azox 和W ilk son 进行过不同高横比(hs )的矩形肋条的阻力试验,图10为h s =0.4,0.8,1.0的矩形肋条的阻力分布。
从图中看出,零减阻线与阻力特性线的相交点随h s 的减小而s +增加,与V 形槽肋条的减阻特性基本相似,但相交点的s +小于V 形槽肋条的值。
3 肋条对湍流流动的影响和肋条减阻的物理过程(1) 肋条对低速条带间距的影响低速条带间距和长度的变化,在一定程度上反映表面阻力变化。
V 形肋条、矩形肋条和圆形肋条的试验表明,低速条带间距Κλ+可在±40～50之间变化,此变化与肋条的尺寸大小和形状有关。
V 形肋条产生±45◊的低速条带间距变化,其相应的阻力变化,近似为±10◊。
我们进行的大尺度矩形肋条试验,用氢气泡显示技术反映出低速条带基本上出现在肋顶部,条带数与肋条数相当。
(2) 肋条对速度的影响肋条对速度分布的作用,主要表现在使速度分布的对数区移动,或者说使边界层的近壁区厚度发生变化,此作用与添加剂减阻使对数区位置发生变化相类似。
图11为速度分布的对数区移动图,图中实线为相应雷诺数R e 的光滑表面的速度分布,圆圈符号为肋条表面的速度分布;从图中看出,R e <1.7×106时,对数区上升,R e >1.7×106时,对数区下降。
图12为图11速度分布转换的表面摩阻系数C f 与R e 的关系图。
图中表明,对数区的移动与表面摩阻速度,603水 动 力 学 研 究 与 进 展 1999年第3期或表面摩阻系数有关。
对数区向上移动,表示表面摩阻减小,对数区向下移,表示表面摩阻增加;此规律在沙粒粗糙表面上也已发现。
(3) 肋条对平均流速展向变化的影响Hoo shm and 和Cou stds 等人在多种h +和s +的V 形槽肋条表面进行了试验,测量了平均流速的展向分布。
图13为h +=10.9,s +=21.7的肋条表面流向平均流速的展向分布。
图中表明,肋条使纵向平均流速在展向出现速度梯度,最低速度发生在肋条顶部,影响范围为h +<13。
也有试验资料发现最低流速发生在肋槽中,影响范围限于y +<15。
综合认为,较密间距的V 形槽肋条表面,最低流速发生在肋槽中,而且肋槽中的湍动强度也减小,其原因是展向速度梯度的存在,产生的粘性效应降低了湍动强度。
而在较宽间距的肋条表面,最低流速出现在肋条顶端,展向速度梯度的粘性效应可忽略,表面摩阻增加。
肋条对湍流强度的影响,与肋条的形状和尺寸有关,当肋条制造成最优减阻尺寸时,肋条可减小流向湍流强度和雷诺应力,当肋条的h +和s +较大时,雷诺应力不减小,垂向脉动速度v ′和展向脉动速度w ′变化不大。
图13 图14(4) 肋条对关联系数的影响图14为Callogher 和T hom as 在y +=15处实测的展向空间关联(R )的分布图。
图中△Z +=△Z u ΣΧ为展向无量纲坐标,图中曲线表明,肋条表面的关联长度或结构展向尺寸,比光滑表面的增加15～30%。
图15为F i m icum 和H an ratty 在h s =1.0对称V 形肋条表面上测得的展向边壁速度梯度的关联系数分布。
图中实线为抛物线,它与展向系数R 33=0的虚线相交点,确定展向长度尺度。
当Z +=25～30时,随着Z +减小,R 33增加,因而Z +=25～30可近似认为是阻力减小开始发生时的肋条间距。
(5) 肋条减阻的物理过程肋条减阻与近壁区湍流结构的变化紧密相关。
近壁区湍流结构的特征,可概括为三个主要方面,一是湍流底层条带结构的形成和发展;二是纵向涡、横向涡和马蹄涡的形成和发展;三是猝发现象,这三者的相互影响,形成近壁区的复杂湍流结构。
显然低速条带愈不稳定,猝发频率愈高,湍能耗损愈大,摩阻损失愈大。
肋条减阻的设想,就是利用肋条控制条带结构的扩散,减少猝发现象的发生。
在微小尺寸V 形肋条或肋膜作用下,肋槽为反向涡支腿形成的低速条带703梁在潮等:肋条减阻造成通道,抑制条带的扩散;另方面展向平均流速分布不均匀形成的速度梯度,通过粘滞性而形成横向粘滞力,此粘滞力产生于肋条顶部,可抑制反向涡的作用,减少高流速流体向边壁输运,从而使表面摩阻减小。
但肋条尺寸较大时,情况则相反,低速条带出现在肋条顶部,肋槽中产生反向纵向涡,反而使表面阻力增加。
因此,肋条湍流减阻与肋条的形状和尺寸有紧密的关系。
图15 图164 肋条与其它减阻技术联合减阻(1) 肋条与聚合物联合B evdy 等人研究了聚合物与肋条联合减阻特性,图16为试验结果。
1986年的资料表明,两种减阻技术的联合,增加了减阻,但1987年的资料却又发现减阻效果无太大变化。
两组试验所用的聚合物除了分子重量不同外,其它都相同。
后来B evdy 和A nderson 进行了不同浓度,不同聚合物与h +=0.0076c m 的肋膜减阻试验,得到的结果与图16中1997年的资料趋势一致。
这说明联合减阻的效果,与所用的聚合物种类,浓度和分子重量有很大的关系,同时也说明,肋条与聚合物联合减阻技术,尚须进一步深入研究。
(2) 肋条与微气泡联合许多事实已证明,当水中运行物的表面形成微气泡层时,能大大减小表面的摩阻力。
但要使实际物体表面形成微气泡层却很难做到,如船舶运行,即使在其表面形成气泡层的技术可以实现,但需要的气泵及其所需的能量也是大得惊人,实际无法实现。
因此需要研究微气泡与其它减阻技术的联合。
B eed 和W ein stein 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”,从而使阻力减小;形成气泡层所需要的空气量也大为减少;他们的试验表明,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。
