沟槽面湍流减阻研究综述.

纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示杨绍琼;崔宏昭;姜楠【摘要】纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s+在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s+约为17个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性而产生的一种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构.实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2015(047)003【总页数】5页(P529-533)【关键词】湍流边界层;开尔文-亥姆霍兹不稳定性;“类开尔文-亥姆霍兹”涡;沟槽;流动显示【作者】杨绍琼;崔宏昭;姜楠【作者单位】诺丁汉大学工程学院,英国诺丁汉NG7 2RD;天津大学机械工程学院力学系,天津300072;诺丁汉大学工程学院,英国诺丁汉NG7 2RD;天津大学机械工程学院力学系,天津300072;天津市现代工程力学重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】O357.4+1沟槽(riblets)，是指横截面为固定形状的、沿展向周期排列的一系列流向的微小肋条结构.大量研究发现：与光滑壁面湍流边界层相比，它们在一定物理尺寸范围内具有减阻效应；并在其黏性内尺度无量纲参数L+g(展向横截面积的平方根)约为11个黏性长度单位(对应沟槽的脊--脊内尺度无量纲展向间距s+≈17)时达到最优减阻效果；但随着雷诺数的增加，沟槽减阻效应会随之减弱，甚至反而使得壁面摩擦阻力增加，表现出大扰动粗糙元效应[1-2].沟槽壁面湍流边界层减阻的原因，特别是减阻率线性相关于s+的“黏性区”的减阻机理可归纳为沟槽对湍流边界层近壁区(准)流向涡或发卡涡(涡包)结构的有效抑制和重组[3-6]；而对应地，沟槽减阻在达到最优之后表现出大扰动粗糙元效应的原因，已有文献也给出了两种可能解释：(1)沟槽谷内准流向涡与沟槽的相互作用[7]；(2)沟槽脊处二次流向涡的脱落[8].可见沟槽减阻失效,之前文献大都归因于沟槽壁面湍流边界层内的流向涡或准流向涡的行为随沟槽展向尺度的变化.但文献[9]在2011年首次基于其沟槽壁面湍流边界层直接数值模拟数据库的分析，指出限制沟槽减阻效应甚至使阻力增加的原因是一种“类开尔文--亥姆霍兹”不稳定性；这种不稳定性现象在沟槽刚刚达到最优尺寸(s+≈17)时出现；伴随其产生了一种之前未曾被实验观察到的展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构.本文使用烟雾流动显示技术，首次在风洞实验中清晰地观察到这种展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构，并在前期讨论“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象及其原理[10]的基础上，进一步详细描绘这种“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡.实验在英国诺丁汉大学低速回流式风洞中完成. 风洞采用变频调速；其实验段长3m，截面为508mm×508mm八角形；风洞最大稳定风速为10m/s，自由来流背景湍流度约为0.24%.实验室温控为22±0.5°C；环境压强约为0.1012MPa；因此，空气密度ρ和运动黏度ν分别为1.2kg/m3，1.53× 10−5 m2/s.边界层流场在风洞实验段内水平放置的一块长约3m的平板上发展.平板前缘以椭圆半轴长75mm修缘，并在前缘下游100mm处布置高h=10mm，直径为3mm的微小圆柱阵列触发流场提前转捩为湍流.距离板前缘下游约1.5m处嵌入烟雾/粒子播撒器，其高约115mm.而沟槽相邻脊--脊物理间距s，脊--谷高度都为7.2mm；沟槽板截面为三角形，被相邻地嵌入到烟雾/粒子播撒器下游的平板内，即沟槽起点距离平板前缘的流向距离χ=1.7m.通过调节平板的尾翼，经过尾翼前缘近壁区的热线信号及其谱分析确认，得到沟槽壁面处零压力梯度且流动未分离的湍流边界层.使用丹尼尔科技(DANTEC)有限公司54T29型速度测量仪(标定误差为0.02m/s)测量边界层多个自由来流速度U∞，控制其在0.38m/s，0.68～1.62m/s 之间.实验装置及平板布置参数图1给出.对应的边界层流场参数，即摩擦速度uτ≈U∞/22 (经验公式[11])，边界层厚度δ≈0.37χ/Re1/5χ (普朗特近似公式[12])及雷诺数Reτ=uτδ/ν见表1.本文采用烟雾流动显示技术研究上述条件下的沟槽壁面湍流边界层内“类开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象，即“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构[9].实验使用TSI 9307-6型烟雾发生器产生平均直径为1µm的烟雾颗粒作为示踪粒子；使用幻灵(Phantom)牌SpeedSense 9060型高速互补金属氧化物半导体(CMOS)相机(1024×800 pixels)仰视拍摄上述湍流边界层流场的近壁区域；流场被丽创(Litron)牌LDY302型Nd:YLF双腔激光器照亮，激光器最大输出功率为100W，激光波长为527nm，调节片光厚度约为1mm(研究“类开尔文--亥姆霍兹”涡在不同法向位置y的流动情况时，片光厚约2mm).使用丹尼尔科技有限公司同步器同步激光和相机；相机触发频率设置为500Hz(或800Hz)，曝光时间500µs(或1000µs)，且经标定后，相机最大视场约为425mm×260mm(流向×展向；注：下文中边界层流场流向、法向、展向分别用χ,y,z表示).烟雾流动显示实验共分两部分进行.首先，观察平面(或激光平面)平行于沟槽壁面，相机拍摄χ--z面视场.片光恰好相切于沟槽脊峰，即片光中心距离脊峰平面法向位置y约为0.5mm.流向突出高度h pl取0.18s[13]，即片光平面中心位于沟槽流向速度剖面虚拟原点以上1.796mm处.实验记录11个不同雷诺数下的沟槽壁面边界层流场，流场参数及其在减阻曲线上的对应位置分别在前文表1及图2中给出.边界层流场流动显示结果如图3和图4所示，流动方向从左至右.图3给出了y+=2，s+=8.1时χ--z面内沟槽壁面边界层流场结构.有效视场大小χ+--z+:478.1×180.0 (黏性内尺度无量纲).此时沟槽减阻，s+处于减阻曲线的黏性区，沟槽减阻率线性相关于s+，边界层内流场流向涡占主导[9].图示视场上游(黄色矩形区)处呈现有较多流向或准流向涡结构，相互间间距小于s+；中游部分(橙色矩形区)3个发卡涡涡包结构清晰可见，其展向平均间距约为7.5s+(约60个黏性内尺度无量纲单位)，而3个发卡涡涡包相邻涡流向平均距离约为9s+；涡包中各发卡涡在向下游发展演化过程中“长大”并逐渐远离壁面.这一过程可以看作：沟槽作用下，边界层内流场结构由流向涡/准流向涡逐渐发展演化为发卡涡，形成发卡涡包并向外区抬升的湍流边界层发展过程.这也是实验中少有地在沟槽壁面边界层底层内观察到完整清晰的发卡涡/涡包结构[3].图 4显示的是不同雷诺数 (s+)下沟槽壁面边界层χ−z面内流场结构.有效视场χ×z：200mm× 160mm.具体地，s+=14.5时沟槽处于减阻曲线的最优减阻区之前，即线性黏性区，未见较明显的“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构；当17.1≤s+≤34.7时，从减阻曲线可以看出，沟槽尺寸位于最优减阻区和k粗糙元效应区，沟槽减阻效应即将趋弱直至阻力增加，表现出大粗糙元效应[11].图示视场中可以较清晰的观察到“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构.该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构在流场条件(s+)刚刚超出最优减阻区时出现，可能是沟槽减阻达到最优后减阻效应趋弱直到增阻的主要原因.此时，在片光平面内，烟雾粒子跟随该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡运动，形成黑白相间的展向可视涡：黑色较暗处粒子法向速度垂直于片光平面向里亦或向外；白色较亮处的粒子因涡心(核)旋转聚集，整体表现为“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡棍结构.它们与文献[9]图14(b)中直接数值模拟展向涡棍结构相同.为了研究“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构在不同法向位置y处的流动情况，第2部分选取 s+= 31.7重复沟槽壁面湍流边界层流场烟雾流动显示实验.但相机拍摄频率设置为800Hz，曝光时间为1000µs，内尺度无量纲化后的有效视场大小χ+×z+: 1191.7×585.0.流动显示结果如图5所示.在最近壁区，y+=10.1及14.5处，“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构二维性更好，其平均流向波长40≤≤90，相邻典型展向涡之间的流向距离150≤≤200;平均展向波长≥100，这些参数与文献[9]的直接数值模拟结果基本一致.另外，有趣地，该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构表现出准三维性：随着观察(激光)平面逐渐远离壁面，视场内该展向涡沿流向被拉伸，相邻展向涡之间出现连接两者的类似混合层中相邻展向涡之间的流向涡或准流向涡结构[13]，且此时该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡数量趋少，尺度趋大，二维性趋弱，准三维性明显变强；但y+继续增加后少有“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡出现.文献[9]的直接数值模拟数据表明边界层流场中，沟槽湍流减阻效应趋弱直至阻力增加的原因可能是“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象的出现.本文使用烟雾流动显示技术，首次通过风洞实验显示了由于“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性的出现，使得沟槽边界层时--空平均流向速度剖面出现拐点而形成的展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构，并给出沟槽壁面湍流边界层内“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构模型示意图(图6)及以下结论：(1)当沟槽脊--脊间距s+位于减阻曲线的线性黏性区时，边界层亚层内的流向涡及准流向涡随时间发展形成发卡涡及发卡涡涡包结构；(2)在s+刚刚超出最优减阻区时，流动因“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性失稳，形成“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构；(3)典型的“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡其流向波长40≤∆≤90，展向波长≥100；流向相邻展向涡之间的距离150≤∆≤200，这些参数与文献[8]的直接数值模拟结果基本一致；(4)“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡主要出现在沟槽壁面边界层y+≈26以内.致谢感谢英国诺丁汉大学传热及流体力学实验室减阻与流动控制组(Thermo and Fluid Mechanics—Drag Reduction and Flow Control Group)费尔·巴里(FaycalBahri)对本文的指导和帮助；感谢刘建华，吴云，宋龙飞，巴索·阿莱西奥(Basso A lessio),基奥瓦克·诺拉(Rkiouak Noura),菲利普·科恩(Phillip Cohen)在实验过程中给予的建议和协助.Received 24 January 2015,accepted 12 February 2015,availableonline16 February 2015.1)The projectwassupported by the NationalNaturalScience Foundation of China(11272233,11332006,and 11411130150),the Foundation from the China Scholarship Council(CSC)(201306250092)and the Foundation Project for Outstanding DoctoralDissertationsof Tianjin University.2)Yang Shaoqiong,PhD candidate,research interests:experimentalstudy on the passive controlofwall-bounded turbulenceand itsstructures. E-mail:******************.cn【相关文献】1 Brian D,BharatB.湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展.力学进展,2012,42(6):821-836(Brian Dean,BharatBhushan.Shark skin surfaces for fluid-dra reduction in turbulent fl w:A review. Advances in Mechanics,2012,42(6):821-836(in Chinese))2 BechertDW,BruseM,HageW,etal.Experimentson drag-reducing surfacesand theiroptim izationw ithanadjustablegeometry.Journal ofFluid Mechanics,1997,338:59-873 Choi KS.Near-wall structure of a turbulentboundary layerw ith riblets.JournalofFluid Mechanics,1989,208(1):417-4584王晋军，兰世隆，陈光.沟槽面湍流边界层结构实验研究.力学学报,2000,32(5):621-626(Wang Jinjun,Lan Shilong,Chen Guang. Experimentalstudy on the turbulentboundary layer fl w over riblets surface.Acta Mechanica Sinica,2000,32(5):621-626(in Chinese))5李山，杨绍琼，姜楠.沟槽面湍流边界层减阻的TRPIV测量.力学学报,2013,45(2):183-192(Li Shan,Yang Shaoqiong,Jiang Nan. TRPIV measurement of drag-reduction in the turbulent boundary layerover ribletsplate.Chinese JournalofTheoreticaland Applied Mechanics,2013,45(2):183-192(in Chinese))6 Yang Shaoqiong,Li Shan,Tian Haiping etal.Coherent spanw ise structures in turbulentboundary layer over drag-reducing riblets[J]. Transactionsof Tianjin University,DOI10.1007/s12209-015-2526-57 Choi H,Moin P,Kim J.Direct numerical simulation of turbulent fl w overriblets.JournalofFluid Mechanics,1993,255:503-5398 Goldstein DB,Tuan TC.Secondary fl w induced by riblets.Journal ofFluid Mechanics,1998,363:115-1519 Garc´ıa-Mayoral R,Jim´enez J.Hydrodynam ic stability and breakdown of the viscous regime over riblets.Journal ofFluid Mechanics,2011,678:317-34710杨绍琼，姜楠.奇妙的“波浪云”——浅谈开尔文--亥姆霍兹不稳定性现象.力学与实践,2014(06):802-805(Yang Shaoqiong,Jiang Nan.On Kelvin-Helmholtz instability in wave clouds.Mechanics in Engineering,2014(06):802-805(in Chinese))11 Jim´enez J.Turbulentfl wsover roughwalls.Annu alReview ofFluidMechanics,2004,36(1):173-19612 White FM.Fluidmechanics.Seventh Edition.New York:M cGraw-HillCompanies,Inc,2011:51313 Bechert DW,Bartenwerfer M.The viscous fl w on surfaces w ith longitudinalribs.JournalofFluid Mechanics,1989,206:105-12914张洪泉.混合层中的流向涡与Rayleigh离心不稳定.力学学报, 1997,29(2):129-135(Zhang Hongquan.Streamwise vortices in a planem ixing layer and Rayleigh’s centrifugal instability.Acta Mechanica Sinica,1997,29(2):129-135(in Chinese))。

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2016年第35卷第6期·1660·化工进展表面活性剂湍流减阻研究进展魏进家，黄崇海，徐娜（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安 710049）摘要：表面活性剂较高分子聚合物在流体管道输运中具有可逆机械降解特性的优点，更适用于存在高剪切的场合以及封闭的循环回路进行减阻，但存在对其复杂流变特性及减阻机理认识不完善的问题，使得其在减阻领域的应用受到了限制。

本文回顾了作者近年来在表面活性剂溶液微观结构、复杂流变学特性、湍流结构以及其与减阻和传热性能之间的内在联系方面的研究进展；介绍了表面活性剂减阻和壁面微沟槽协同作用减阻的研究成果；指出通过拉伸流的方式能够在压损较小的情况下更有效地提高表面活性剂溶液的传热性能。

针对表面活性剂现有研究的不足，本文提出4条建议作为表面活性剂的未来研究方向，分别为开发环境友好型高效表面活性减阻剂、强化换热装置的优化设计及优化布置、表面活性剂与其他减阻方式耦合特性的深入研究以及表面活性剂在尺度放大、防腐和减阻持久性方面的实际工业应用研究。

关键词：表面活性剂；湍流；流变学；传热中图分类号：TE08；TV131 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）06–1660–16DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.06.007Research progress concerning turbulent drag reduction of surfactantsolutionWEI Jinjia，HUANG Chonghai，XU Na（State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，Shaanxi，China）Abstract：In turbulent flow drag reduction applications，surfactant additive is more applicable than polymer for the flow with high shear or in the closed circulation system due to its reversible mechanical degradation advantage. However，there is not enough understanding of the complicated rheology and drag-reduction mechanism of surfactant solution，limiting its practical application in the drag reduction field. This review introduces the research progress of surfactant drag reduction conducted by the authors in recent years on microstructure，complicated rheology characteristics，turbulent structure，as well as their relations with drag reduction and heat transfer，and analyzes the combined drag reduction effect of surfactant additives in the flow and microgroove fabricated on the wall. The stretch devices can significantly improve the heat transfer performance of surfactant drag-reducing flow with a lower pressure loss penalty. To the shortages of present surfactant drag reduction research，several suggestions are given for the future study. The first is to develop environmentally friendly and effective surfactant，the second is optimal design and layout of heat transfer enhancement device for drag-reducing flow，the third is the study on synergetic effect of drag收稿日期：2016-01-15；修改稿日期：2016-02-15。

沟槽对湍流边界层中展向涡影响的实验研究王鑫;李山;唐湛棋;姜楠【摘要】Coherent structure is closely related to the high frictional resistance in wall turbu-lence.Summarizing the influence rule of vertical micro-grooves on spanwise vortex is helpful for understanding the drag reduction mechanism by riblet surface.15998 instantaneous velocity fields over both riblet(s+=2h+=1 6.3)and smooth surfaces in turbulent boundary layers (TBL)at a Reynolds number of R eτ=190 were acquired by using time-resolved particle image velocimetry (TRPIV)in a water tunnel.The swirling strengthλciwas used to reveal spanwise vortices,and we extracted the cores of spanwise vortices by finding swirling strength's local extremum in whole field.Subsequently,the proportion of the spanwise vortex,the average swirl strength,the average diameter of the vortex and the proportion of the each scale vortex were analyzed statisti-cally in flow field over riblet surface.All experimental results were compared with those over a smooth surface.It is found that (1)the number of prograde spanwise vortices is decreased by riblet in near wall region,while retrograde spanwise vortices'number is increased.(2)The aver-age strength of the spanwise vortex is decreased,whether prograde vortex or retrograde vortex. (3)The proportion of small scale prograde vortices and mesoscale retrograde vortices is increased in near wall region,while mesoscale prograde vortices and large scale retrograde vortices'pro-portion is decreased.(4)The difference in stream-normal scale of the progradespanwise vortex becomes smaller in inner boundary,but the retrograde spanwise vortex's scale difference without change.(5)The proportion of small scale prograde vortices is decreased in log-law region,while the proportion of large scale prograde vortices is increased.Impact on the proportion of retro-grade vortices is exactly opposite of the prograde vortex.%壁湍流中的相干结构与壁面的高摩擦阻力密切相关,研究壁面纵向微小沟槽对展向涡的影响规律,有助于深入认识沟槽壁面的减阻机理.在自由来流速度控制在0.18m/s的水槽中(R eτ=190),采用高时间分辨率粒子图像测速技术,测量光滑平板和沟槽板(s+=2h+=16.3)湍流边界层,分别获得了15998个瞬时速度矢量场.使用λci识别展向涡,比较了 2 种壁面流动中不同法向位置处展向涡的数量、平均强度、平均尺度及各尺度展向涡所占的数量比例.结果表明:沟槽使近壁区顺向涡的数量减小,逆向涡的数量增大,并削弱了展向涡的强度;沟槽使近壁区小尺度顺向涡和中尺度逆向涡的比例增加,中尺度顺向涡和大尺度逆向涡的比例减小,使得近壁区顺向涡的尺度差异变小,对近壁区逆向涡的尺度差异几乎无影响;沟槽减小了对数律区小尺度顺向涡的数量比例,并增大了大尺度顺向涡的数量比例,对数律区逆向涡数量比例的变化规律和顺向涡正好相反.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2018(032)001【总页数】9页(P55-63)【关键词】沟槽;湍流边界层;发卡涡;展向涡;顺向涡;逆向涡【作者】王鑫;李山;唐湛棋;姜楠【作者单位】天津大学机械工程学院,天津 300354;天津大学机械工程学院,天津300354;天津大学机械工程学院,天津 300354;天津大学机械工程学院,天津300354;天津市现代工程力学重点实验室,天津 300350【正文语种】中文【中图分类】O357.50 引言相干结构在壁湍流的产生、维持和演化发展中起着重要作用，它与壁湍流产生的高摩擦阻力密切相关[1-2]，因此如何控制相干结构是湍流减阻的核心问题，也成为近年来的研究热点[3]。

飞行器主要减阻措施机理及其应用效果-力学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：针对阻力过大给飞行器带来的设计难度和使用成本问题，调研了当前主要减阻措施及其应用效果。

结果表明，在减小激波阻力方面，主要将强激波变成弱激波系，或者优化压力分布，使总压差阻力最小；在减小摩擦阻力方面，在层流区通过维持最大表面积的顺压梯度延迟转捩，而在湍流区通过改变表面几何形态或者在流体中添加大分子物质，减弱湍流强度，为低阻力气动外形设计方法的建立和发展提供了参考。

关键词：减阻; 激波阻力; 摩擦阻力; 等离子体; 零质量射流; 吹吸气; 鼓包; 多孔压力腔; 涡流发生器; 涂层减阻;Abstract：For the excessive drag problem which usually enlarges the design difficulty and cost of use, the flow mechanism effectiveness of drag reduction techniques has been investigated and analyzed, as well as its current effectiveness. The result shows that, the active and passive flow control techniques access the shock drag reduction though wakening the an strong shock to multi-wake shocks or reconstructing the an optimal pressure distribution, and access the fraction drag reduction by enlarging of the laminar region by favorable pressure gradient on laminar flow region and decreasing the strength of turbulence by changing the solid wall micro scale construction or adding large scale molecule to boundary. The flow mechanism can provide references for low drag aerodynamic design method construction.Keyword：drag reduction; shock wave drag; friction drag; plasma; zero-mass flux jet; push-pull airflow; bump; poros pressure chamber; vortex generator; coating drag reduction;1、引言减阻一直是航空航天领域关注的焦点，定型、批产、运营装备的各类航空运输飞机、战斗机、高空飞艇以及导弹的外形，一般都是当时技术能力下能达到阻力最小外形，飞行器的更新换代都会尽量吸收减阻技术的新成果，对外形进行持续的优化改进。

凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究摘要：本文基于凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究，分析了凹坑表面形貌对面接触润滑状态下的润滑性能的影响。

通过对不同形状、密度的凹坑表面形貌的实验研究，得出了一些规律性结论，并提出了相应的优化建议，为减小摩擦阻力、提高机械效率提供了方向性指导。

关键词：凹坑表面形貌；面接触润滑；减阻研究；优化建议Introduction在工程实践中，润滑是非常重要的技术手段，它能够有效减少摩擦和磨损，提高机械效率，延长使用寿命。

而面接触润滑作为润滑技术的一个重要分支，在工业生产中得到了广泛应用。

在此基础上，研究润滑状态下的凹坑表面形貌对减阻效果的影响，有助于提高面接触润滑的润滑效果。

Experimental Method本文通过实验研究的方法，对不同形状、密度的凹坑表面形貌在各种润滑状态下的润滑性能进行了测试。

实验应该严格按照标准程序进行，并对数据分析与处理进行尽可能详细的阐述。

Results实验结果表明，在面接触润滑状态下，凹坑表面形貌的形状和密度对其减阻效果有显著影响。

在相同润滑条件下，密度越大的凹坑表面形貌减阻效果越好，而不同形状的凹坑表面形貌则具有不同的减阻效果。

例如，锥形凹坑表面形貌的减阻效果最好，椭圆形凹坑表面形貌次之，而圆形凹坑表面形貌的减阻效果最差。

Conclusion本文通过实验研究的方法，分析了凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究。

实验结果表明，凹坑表面形貌的形状和密度对润滑性能有显著影响。

在此基础上，提出了一些优化建议，旨在进一步提高润滑性能，减小摩擦阻力，提高机械效率。

Optimization Suggestions在本文中，我们通过实验研究证明了凹坑表面形貌在面接触润滑状态下对润滑性能的影响。

基于实验结果，我们提出以下优化建议：1. 在设计机械的润滑系统时，应考虑采用高密度的凹坑表面形貌，以提高润滑性能。

2. 若在机械中采用椭圆形或圆形凹坑表面形貌，可采取增加面接触润滑润滑剂保证减阻效果，也可考虑研发新型润滑剂以提高减阻效果。

船体流动减阻方法研究综述作者：张弛刘林来源：《科技创新与应用》2014年第26期摘要：近年来，关于船体减阻的实验和研究比较多，取得了许多相关的资料和数据。

在目前湍流理论有了相当的发展之后，我们对原理的研究有了一些进步。

目前在减阻的方式上，人们已经发明了肋条减阻（沟槽法）、聚合物添加剂减阻法、柔顺壁减阻法、气泡减阻法、仿生减阻法、壁面振动减阻法、超疏水表面减阻法等。

文中将就上述减阻方法的原理做一个简要的介绍。

关键词：流体；阻力；船体减阻1 柔壁减阻法上世纪60年代，科学家们发现“人造海豚皮”的减阻效果，柔壁减阻开始得到人们的重视。

柔壁减阻法的一般做法是在固体壁面上覆盖上泡沫塑料，往固体内部水或油等液体后，在外面蒙一层不渗透或者半渗透性的薄膜，这样泡沫塑料就能产生一定弹性。

柔顺壁的作用使粘性底层变厚，边界层上流速梯度减小，就此减小了边界面上剪力，同时也减小了因剪力做功而发散的能量，实现了减阻。

在雷诺数较大的环境下，粘性作用在边界层内。

所以减阻的关键在于如何使边界层平顺流动减少损失。

由于海豚皮肤有很好的弹性，可以随水流呈波浪状起伏，形成了柔顺壁。

水流原本就是一种湍流运动，综合海豚表皮的扰流运动，很容易在表皮边界层内产生扰流，由此产生的紊流，增加了游动摩擦阻力。

而当扰流发生在边界层内时，海豚的皮肤产生的波动，抵消了扰流并减少了晃动，延迟了边界层的转捩，以此保持边界层层流的流动。

当我们从边界层稳定性因素考虑时，可以更加深入的了解减阻的机理。

影响层流运动稳定性的主要因素包括壁面粗糙度和来流紊流度。

壁面的粗糙增加了对流动的扰动，合理的利用该扰动有很好的减阻效果。

目前对柔顺壁减阻相对一致的观点是，壁面压力梯度缓解了压力释放，因此造成边界层层流向湍流转捩的后移。

海豚表皮的“非光滑”柔顺壁可顺应水流而流动，减少湍流流动，延迟边界层转捩，增加边界层稳定性，因此能够高效降低其在水中的阻力。

2 沟槽减阻法上世纪70年代，兰利研究中心发现，顺流向微小肋条的表面能有效降低壁面摩阻。

第35卷第4期力学与实践2013年8月微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究1)卢思姚朝晖2)郝鹏飞傅承诵(清华大学航天航空学院工程力学系，北京100084)摘要超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值.本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面.测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压降，将其与普通表面构建的槽道内的流动压降进行比较，发现在层流情况下，流动阻力减小最多达到了22.8%.在湍流的情况下，超疏水表面的减阻比例约为53.3%，减阻效果比层流更加明显.利用PIV (particle image velocimetry)技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场，通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息，分析了湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.关键词超疏水表面，二级微纳米复合结构，湍流，减阻，壁面滑移中图分类号：O357.1文献标识码：ADOI ：10.6052/1000-0879-13-098DRAG REDUCTION IN TURBULENT FLOWS OVERSUPERHYDROPHOBIC SURF ACES WITH MICRO-NANO TEXTURES 1)LU SiYAO Zhaohui 2)HAO Pengfei FU Chengsong(Department of Engineering Mechanics,School of Aerospace,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract The superhydrophobic surfaces have a very wide range of potential applications in the modern life and industrial production due to their excellent properties.In this paper,a kind of superhydrophobic surface was fabricated by pasting micro-nano particles onto an aluminium or PMMA (polymethylmethacrylate)substrate.The micro-nano particles were obtained by carbon nanotubes winding technology and hydrophobic processing.The pressure drop measurements were carried out in the channel with superhydrophobic surfaces pared with the common surface channel,the flow resistance decreases by about 22.8%at most in the laminar flow.In the turbulent flow,the drag reduction can reach 53.3%.The velocity field in the channel with such superhydrophobic surfaces was measured by particle image velocimetry (PIV)technology.Through the slip velocities in the superhydrophobic surface and the turbulent fluctuations,the physical mechanism is revealed to show that the turbulent friction reduction effects are apparently better than in cases of laminar flows.Key words superhydrophobic surface,micro-nano dual-scale structures,turbulent flow,drag reduction,slip velocity引言超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值，如利用其自清洁性[1]，疏水材料可以作为防污材料[2]、防腐蚀材料和管道减阻，近些年来将超疏水材料用于水中运输工具或水下潜艇上[3]，以减小水的阻力，提高2013–03–21收到第1稿，2013–06–03收到修改稿.1)国家自然科学基金资助项目(11272176).2)姚朝晖，博士，副教授，研究方向为微流动.E-mail:yaozh@第4期卢思等：微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究21行驶速度也开始得到人们的关注.Ou 等[4-5]在一系列高76µm <H <254µm ，宽高比W/H =20,长度L =50mm 的微管道中,发现超疏水表面构成的槽道对层流具有减阻效应,最大减阻甚至达到了40%.而减阻的效应随着超疏水表面的微结构的尺寸不同而变化.Watanabe 等[6]研究了直径6mm和12mm 具有高疏水壁面的管道流动,由于表面覆盖了一层10µm ∼20µm 的微沟槽,在500<Re <10000的流动状态下,流动阻力减少了14%.Choi 等[7]采用500nm 高230nm 间距纳米柱结构形成超疏水表面,将其应用于3µm 的微管道中,压降较普通微管道降低20%∼30%.在我们前期的研究[8]中，利用由碳纳米制成的无序缠绕碳纳米管构建成的超疏水表面进行流动阻力实验，发现对于层流而言，由二级微纳米复合结构构成的超疏水表面比仅仅具有一级结构的疏水表面具有更好的减阻效应.超疏水表面不仅对层流能够产生减阻效用[9-11]，而且对湍流的流动阻力也有影响.2006年，Krupenkin [12]先后利用两种具有不同微结构(纳米草和微米砖)的超疏水表面进行实验，发现相比层流而言，拥有微结构的超疏水表面对湍流具有更加明显的减阻效应.Daniello 等[13]利用具有沿流向微槽道结构的超疏水表面进行了流动实验，当流动在层流范围内时(0<Re <2200)在超疏水表面的流动阻力并没有减小，但是随着雷诺数的增加，当流动开始由层流变为湍流的时候，流动阻力开始明显地减小.并且随着雷诺数的增加，减阻的比例越来越高.但是当雷诺数增加到一定程度时，减阻的比例就不再减小.Woolford 等[14]采用光刻蚀技术制备的具有微脊结构的超疏水表面进行了湍流流动实验，并利用PIV (particle image velocimetry)对槽道内的流动速度进行了测量，发现当微脊沿着流动方向的时候，该超疏水表面能够有效地减小流动阻力，但是当微脊的方向与流动方向相垂直的时候，流动阻力反而增加了.前人的超疏水表面基本上是微米或纳米一级结构，对具有微纳二级结构的超疏水表面进行流动减阻和机理研究尚少有报道.1超疏水表面的制备本文所采用的超疏水表面的制备方法是首先以单体的形式制备出超疏水表面上的微米尺度的微纳米复合结构单元，又叫无序缠绕碳纳米管，然后再采用涂敷工艺，将碳纳米管复合颗粒粉体粘结在表面上，构成微纳米复合结构表面，如图1所示.无序缠绕碳纳米管的制备方法见参考文献[8]，将无序缠绕碳纳米管粉体放入聚氟硅氧烷溶液中进行疏水化处理，聚氟硅氧烷的化学学名叫做十七氟癸基三乙氧基硅烷，化学式C 8F 17C 2H 4Si(OCH 3)3，是一种无色至淡黄色透明液体.有良好的透气性能，能够耐高温、耐氧化、耐紫外线辐射，而且具有疏水疏油性质.经过疏水处理过的二级微纳米结构表面具有超疏水性.采用接触角测量仪(JC2000CD1)对表面进行接触角和滚动角测量，得到该超疏水表面接触角为151◦，滚动角为0.9◦.图1超疏水表面制备示意图2实验方法与过程2.1流动阻力实验本流动阻力实验的实验示意图见图2，槽道尺寸长240mm 、宽12mm 、高0.96mm ，在槽道上表面的两端端口处各有一个小孔作为入水口和出水口，从入口端向内60mm 处以及出口向内40mm 处，则是压力传感器安装的位置，用来测量这两点之间的压差，而这两个测量孔处的流动，经过模拟计算，在该测点间流动已经进入充分发展区了.在实验中质量流量由精密天平测量得到.图2流动阻力实验示意图对于层流流动，在矩形槽道内的普通流动中，沿程阻力系数[15]f =∆p (L/D H )2ρU 2=92Re(1)其中,∆p 为两侧点间压差(压降),ρ为流体密度,L 为压差测量两点之间的距离，U 为槽道内流体的平均速度，通过流量与槽道横截面积可以算出.Re =ρUD H /µ,D H 为水力直径D H =4A/P(2)22力学与实践2013年第35卷假定在超疏水表面构建的槽道中，沿程阻力常数为C f−SuperHyd，那么其沿程阻力系数满足f SuperHyd=∆p(L/D H)2ρU2=C f−SuperHydRe(3)在实验过程中只要测量出两点之间的压差，就能够计算出该流动中的沿程阻力系数，进而把普通槽道内的流动与超疏水表面槽道内的阻力进行比较.2.2PIV实验为了确定在超疏水表面流动减阻的机理，利用PIV技术对槽道中的流场进行细致测量.在PIV实验中，片光源和CCD相机分别在槽道的正上方和正前方，利用片光源照亮待测槽道中心截面，如图3所示.槽道长为600mm，宽20mm，深3.5mm(为了使流场细节更加清晰，放大了槽道尺寸)，其基底为有机玻璃，槽道的下表面是超疏水表面，上表面采用透明的有机玻璃盖板，以方便测量.示踪粒子采用镀银的空心玻璃微珠，其型号为900875，粒径在14µm左右，密度与水接近，具有很好的跟随性.水泵是微型磁力潜水泵，最大流量为2800ml/min.图3PIV实验示意图3数据处理与分析3.1流动阻力实验结果在湍流研究中，分别测量了具有相同槽道尺寸(长240mm，宽12mm,高0.96mm)的光滑槽道和带超疏水表面的槽道从层流到湍流的流动压降和相应的质量流量，采用沿程阻力系数计算公式得到了各流动雷诺数下的沿程阻力系数与雷诺数的关系曲线如图4所示.图4普通槽道与超疏水材料槽道沿程阻力系数比较从图4可以看到，在普通槽道中，当雷诺数达到1300∼1400的时候，流动压降急剧增加，沿程阻力系数随着雷诺数的增加而增大，这表明在普通槽道中流动由层流向湍流过渡.而在由无序缠绕碳纳米管构成的超疏水表面的槽道内，当雷诺数达到1300∼1400的时候，沿程阻力系数仍然随着雷诺数的增加而减少，这说明具有微纳米结构的超疏水表面能够增大槽道内流动的转捩雷诺数，使得流动更不容易进入湍流状态，从而达到减阻的效果.对于层流，根据实验测得压降，由式(3)可以计算出经聚氟硅氧烷疏水化处理的槽道沿程阻力系数常数为C f−SuperHyd=71，其减阻达到了22.8%.对于湍流而言，由于目前还没有解析解也没有相对应的经验公式，因此在这里我们根据槽道中压降随雷诺数变化的趋势来评估湍流情况下超疏水表面构建的槽道内的减阻效应.根据图4中的数据结果，估算出在本实验最大Re工况下，与普通槽道实验结果相比，利用聚氟硅氧烷进行疏水化处理之后的超疏水表面的减阻比例约为53.3%.从实验的结果来看，在具有超疏水表面的槽道中，湍流情况下的流动减阻比层流情况下的流动减阻效果更加明显.3.2PIV实验结果在PIV实验中，对于某一个雷诺数下的流动，在槽道中选定某一沿流向的竖直平面，CCD相机两次曝光间隔时间为0.5ms，一共拍摄200对共计400幅图，可以计算出200个瞬时速度场，两两速度场的时间间隔是400ms.调整水泵的转速，可以进行不同雷诺数下的槽道内流场测量.现以雷诺数Re=2441的流场为例，进行流动减阻机理研究.图5给出了槽道内的平均速度场，其中X为槽道流动方向无量纲长度(X=x/L,L为槽道长度),第4期卢思等：微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究23 Y为槽道深度方向无量纲长度(Y=y/H,H为槽道深度),图6给出了剖面上X方向的无量纲速度分布图，从两图上可以看出来，在Y=0，即超疏水表面的固壁处，流体的速度要大于普通表面附近的速度，因此存在一定的速度滑移.而在Y=1处，即普通光滑有机玻璃表面的固壁处，流体速度近似为0.图5槽道内的平均速度场图6剖面上X方向的无量纲速度U图7为剖面上X方向的无量纲速度脉动均方根量随着Y的分布.图8和图9表示槽道内剖面上的无量纲雷诺切应力和无量纲总剪切应力.在湍流状态下，超疏水表面附近的雷诺切应力以及总剪切应力比较小，在普通表面附近，雷诺切应力以及总剪切应力都比超疏水表面附近对应的物理量大，这是因为在超疏水表面的速度滑移抑制了壁面附近的速度脉动，进而减少了由脉动动量输运而产生的雷诺应力和湍动能的生成.图7剖面上X方向的无量纲速度脉动均方根量图8剖面上无量纲雷诺应力图9剖面上无量纲总剪切应力4结论超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值.本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面.测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压差，将其与普通表面构建的槽道内的流动压差进行比较，发现在层流情况下，流动阻力减小最多达到了22.8%.24力学与实践2013年第35卷在湍流的情况下，超疏水表面的最大减阻比例约为53.3%，减阻效果比层流更加明显.利用PIV技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场，研究发现在超疏水表面的速度滑移抑制了壁面附近的速度脉动，进而减少了由脉动动量输运而产生的雷诺应力和湍动能的生成，这可能是湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.参考文献1Barthlott W,Neinhuis C.Purity of the sacred lotus or es-cape from contamination in biological surfaces.Planta, 1997,202(1):1-82Neinhuis C,Barthlott W.Characterization and distribu-tion of water-repellent,self-cleaning plant surfaces.Annals of Botany,1997,79(6):667-6773Jiang CG,Xin SC,Wu CW.Drag reduction of a miniature boat with superhydrophobic grille bottom.AIP Advances, 2011,1(3):0321484Ou J,Perot B,Rothstein minar drag reduction in microchannels using ultrahydrophobic surfaces.Physics of Fluids,2004,16(12):4635-46435Ou J,Rothstein JP.Direct velocity measurements of the flow past drag-reducing ultrahydrophobic surfaces.Physics of Fluids,2005,17(10):1036066Watanabe K,Yanuar H,Udagawa H.Drag reduction of Newtonianfluid in a circular pipe with highly water-repellent wall.J Fluid Mech,1999,381:225-2387Choi CH,Ulmanella U,Kim J,et al.Effective slip and friction reduction in nanograted super-hydrophobic mi-crochannels.Physics of Fluids,2006,18(8):0871058Lu S,Yao ZH,Hao PF,et al.Drag reduction in ultrahy-drophobic channels with micro-nano structured surfaces.Science China,2010,53(7):1298-13059Truesdell R,Mammoli A,VorobieffP,et al.Drag reduction on a patterned superhydrophobic surface.Phys Rev Lett, 2006,97(4):04450410Maynes D,Jeffs K,Woolford B,et minarflow in a mi-crochannel with hydrophobic surface patterned microribs oriented parallel to theflow direction.Physics of Fluids, 2007,19(9):09360311Su Bin,Li Mei,Lu Qinghua.Toward understanding whether superhydrophobic surfaces can really decreaseflu-idic friction ngmuir,2010,26(8):6048-605212Krupenkin TN.Turbulent drag reduction using superhy-drophobic surfaces.In:3rd AIAA Flow Control Confer-ence,San Francisco,200613Daniello RJ,Waterhouse NE,Rothstein JP.Drag reduction in turbulentflows over superhydrophobic surfaces.Physics of Fluids,2009,21(8):08510314Woolford B,Prince J,Maynes D,et al.Particle image ve-locimetry characterization of turbulent channelflow with rib patterned superhydrophobic walls.Physics of Fluids, 2009,21(8):08510615Blevins RD.Applied Fluid Dynamics Handbook.New York:Van Nostrand Reinhold,1984(责任编辑:胡漫)～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～～(上接第30页)8Dabiri S，Sirignano WA.Effects of cavitation on the breakup of liquid jets:Bubble growth，distortion，and col-lapse in an orificeflow.In:Proceedings of the47th AIAA Aerospace Science Meeting，Florida，America，20099颜开，王宝寿.出水空泡流动的一些研究进展.见:第二十一届全国水动力学研讨会，济南，2008(Yan Kai,Wang Baoshou.Some research progress of water-exit cavity.In:Proceed-ings of the21st National Conference on Hydrodynamics, Jinan,200810郑帮涛.潜射导弹出水过程水弹道及流体动力研究进展.导弹与航天运载技术，2010，(5):8-12(Zheng Bangtao.Overview on hydroballistics andfluid dynamics of submarine-based missiles.Missiles and Space Vehicles，2010，(5):8-12(in Chinese))11尹云玉，吕海波.潜射火箭出水过程横向响应载荷研究.导弹与航天运载技术，2007，(6):12-16(Yin Yunyu,L¨u Haibo.Transverse responding load analysis of submarine rockets while moving out of water.Missiles and Space Vehicles，2007，(6):12-16(in Chinese))12闵景新，魏英杰.潜射导弹垂直发射过程流体动力特性数值模拟.兵工学报，2010，31(10):1303-1309(Min Jingxin,Wei Yingjie.Numerical simulation on hydrodynamic character-istics of submarine missiles in the vertical launch process.Acta Armamentaria，2010，31(10):1303-1309(in Chinese)) 13王一伟，黄晨光，杜特专等.航行体垂直出水载荷与空泡溃灭机理分析.力学学报,2012,44(1):39-48(Wang Yiwei,Huang Chenguang,Du Tezhuan,et al.Mechanism analysis about cavitation collapse load of underwater vehihles in a verti-cal launching process.Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics,2012,44(1):39-48(in Chinese))14匡兴华.美国新型战略武器发展综述.国防科技，2008，(1): 21-32(Kuang Xinghua.A survey on American new-style strategic weapons.National Defense Science&Technol-ogy，2008，(1):21-3215刘荣贺.基于NASTRAN优化的某导弹结构模型修正.现代防御技术，2011，39(6):106-110(Liu Ronghe.Missile struc-ture model updating based on NASTRAN optimization.Modern Defense Technology，2011，39(6):106-110(in Chi-nese))16李贤兵.基于NASTRAN的红外整流罩组件结构分析.航空兵器，2012，(3):41-43(Li Xianbing.The structural analysis of infrared dome subassembly based on NASTRAN.Aero Weaponry,2012,(3):41-43(in Chinese))(责任编辑:刘希国)。

SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.30 No.5 2008 总第30卷，2008年第5期随机粗糙与沟槽面复合结构减阻特性研究郭 杰，耿兴国，高 鹏（西北工业大学理学院，西安 710072）摘 要：采用旋转锥板式剪切力的测试系统，测试了不同试样对甘油和水混合液的减阻性能.制备得到的优化复合结构在剪切率为200s-1~2000s-1时，可实现减阻约从13%~19%，且减阻率随剪切率的增加呈递增趋势；在剪切率2000s-1时，最大减阻可达18.9%.分析表明，粗糙结构、沟槽结构及沟槽的排列方式共同作用，实现了试样减阻效果大幅度提高和减阻范围的扩展.关键词：复合结构；粗糙结构；沟槽结构；非线性排列；减阻；机理中图分类号：O353.5 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2008) 05-0062-04Drag-reduction performance study of composite structure surfacewith rough structure and ribletsGUO Jie, GENG Xing-guo, GAO Peng(Department of the Applied Physics, Northwestern Polytechnical University, Xi ’an 710072, China)Abstract:The drag-reduction performance of the mixed solution of water and glycerin on different samples is tested by the testing system of rotatory cone&plate shear rate. The optimized composite structure has a drag-reduction of 13%~19% when shear rate is 200s-1~2,000s-1, and the drag-reduction rate increases following the rising of the share rate. The max drag-reduction is 18.9% when shear rate is 2,000s-1. The analysis shows that drag-reduction by large extent and large shear rate extension is due to the effect of riblets, nonlinear arrangement and rough structure.Key words: composite structure; rough structure; riblets; nonlinear arrangement; drag-reduction; mechanism0 引言减小水下航行器的运动摩擦阻力，对航海及交通运输领域的节能降耗，特别是水下兵器如鱼雷和潜艇的高效能高速度运动有重要作用.目前国内外所采取的主要方法有：沟槽结构减阻、柔性壁面减阻、聚合物添加剂减阻、疏水涂层减阻及随机凹凸结构减阻等.Walsh等人[1,2]首先开展了肋条减阻的研究，结果表明V型肋条具有最好的减阻效果，当其高度h和间距S 的无量纲尺寸h+≤25和S+≤30时具有减阻特性，当沟槽的尺寸为h+＝S+＝15时，减阻效果最佳，可达8%.Dinkelacker等[3]研究发现鲨鱼皮布满了肋条状真皮组织（riblet），当紊流流经这种具有纵向沟槽的表面时会比流经光滑表面时产生的剪切阻力要小.Bechert 等[4]测试了多种形状的肋条表面的减阻效能，可得到7%的减阻幅度.近年来国内相关试验研究也有较大进展，在回转体外表面条纹沟槽的减阻量约8%[5,6]；沟槽平板局部减阻约19%左右[7].随机凹凸结构减阻是近来引人注目的新思想，L.Sirvich[8]的对比试验发现，随机结构阻力系数比光滑表面约小10%，而规则凹凸结构阻力系数比光滑表面却有增大.基于以上研究，本研究提出通过构建随机粗糙与非线性排列的沟槽复合的结构表面，来实现减阻效果大幅度提高和减阻范围扩展的思想，并对其减阻机理进行探索.1 研究内容及测试方法1.1 研究内容在铝合金表面上，采用模板刻蚀方法制备沟槽结收稿日期：2007-11-01；修回日期：2007-11-19基金项目：航天支撑技术基金资助项目；西北工业大学研究生创业种子基金[Z200761].作者简介：郭杰（1981−），男，西北工业大学在读硕士研究生，目前从事于船舶减阻技术的研究.构，然后通过阳极氧化工艺在沟槽表面上构建出具有随机粗糙结构的表面.本试验就不同沟槽参数对减阻效果的影响作了对比试验，通过比较分析得出沟槽结构参数（包括槽深和槽宽）、槽排列方式（包括均匀排列、间隔排列和非线性排列方式）及粗糙结构对减阻效果的影响，从而对表面进行优化设计，以制备出减阻效果好、减阻范围大的试样.并对其减阻机理进行分析讨论.为下文叙述方便，将样品做如表1所示的编号.表1 试样的编号法则结构类型 窄浅沟槽 （粗糙化后）宽浅沟槽 （粗糙化后）窄深沟槽 （粗糙化后）宽窄沟槽 （粗糙化后）非线性排列 （粗糙化后）均匀排列 （粗糙化后）复合 优化结构标号1 （1*）2 （2*）3 （3*）4 （4*）5 （5*）6 （6*）71.2 测试方法采用美国BROOKFIELD CAP2000+ 粘度计经适当改造，来测试样的减阻效果，其基本原理见图1.图1 Brookfield CAP2000+ 粘度计原理图当锥板转子以一定的角速度Ω转动时，转子与实验样板间的液体就会对其产生剪切力，反映在数据采集系统上的就是剪切力的数值.依据剪切力τ的大小，根据减阻量计算公式()Κτττ=−处理后未处理未处理，可很容易的计算出减阻量K 的大小.2 样品表面形貌及性能特性在铝合金（L Y12）表面上采用模板刻蚀方法制备出规则沟槽结构（图2），不同试样的结构参数见表2.图2 沟槽结构的几何形貌表2 试样沟槽结构的参数样品 1/1*2/2*3/3*槽深h +13.7/16.013.6/15.6 16.5/17.6结构 参数槽宽S +16.8/18.024.0/25.0 17.5/18.1然后，经极氧化工艺处理后，在试样表面形成一层致密的微/纳米量级的随机凹凸的粗糙表面结构，如图3所示.从图3可看出，处理后的铝合金表面主要由微米及纳米量级的颗粒状结构组成，且该结构具有很~10μm仪器基板 锥板转子 实验 样板 Ω,M R θθz xy r Φ液体图3 粗糙表面的微结构3 实验结果本实验中，采用V 甘油:V 水=2:1的甘油和水混合液作为测试液体，温度设定为22℃，实验过程中保持恒温.实验分别测试了沟槽结构参数、沟槽排列方式及粗糙化对减阻效果的影响.3.1 沟槽结构参数对减阻效果的影响沟槽参数影响减阻效果已为众多试验所证实，为了对试样进行优化设计，对具有代表性的不同沟槽结构参数的试样1、2、3进行了测试，其剪切力随剪切率的变化关系如图4所示. S h L50454035302520151050246810 12 14 16 18 2022剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2样品1 样品2 样品3 标准样图4 不同沟槽参数试样的剪切力随剪切率的变化关系从图4可看出，试样3（窄深沟槽结构）具有最好的减阻效果，减阻约4%~11%；试样1减阻3%~10%；试样2减阻效果最差，约为1%~5%.并且三个样品的减阻效果都是随着速度的增加呈递增的趋势.对比试样的沟槽结构参数发现，槽深与槽宽比值越大，越有利于减阻，并且随着剪切率的增大，这种现象更为明显；且槽宽对减阻效果的影响要比槽深的影响更显著.3.2 沟槽的排列方式对减阻效果的影响沟槽排列方式对减阻效果的影响是本实验对试样减阻性能优化设计的新探索，实验对窄沟槽等间隔排列、宽窄两种沟槽等间隔排列和窄沟槽非线性排列进行了减阻测试，其结果如图5所示.图5 不同沟槽排列方式试样的剪切力随剪切率的变化关系从图5可看出，试样5（窄沟槽非线性排列方式）具有最好的减阻效果，减阻从7%~15%，且随着剪切率的增加呈逐渐增大趋势；试样4（宽窄两种沟槽等间隔排列）减阻从9%~13%，但其减阻效果在不同的剪切率下变化不大；三者中减阻效果相对最小的是试样6（具有窄沟槽均匀排列）.通过以上数据分析发现，排列方式对减阻效果有很大的影响.将窄沟槽结构和宽沟槽结构进行均匀间隔排列得到试样4，要比单一的窄沟槽均匀排列的试样6的减阻效果还要好；沟槽非线性排列方式的试样的减阻效果优于沟槽宽窄结合排列方式的试样. 3.3 随机粗糙结构对减阻效果的影响实验中，对表面粗糙化的试样与光滑表面的标准试样进行了对比，其结果如图6所示.图6 粗糙化表面试样的剪切力随剪切率的变化关系 从图6可看出，随机粗糙结构在剪切率为200S -1~2000S -1时，减阻均在2%以上，且在200S -1~600S -1的剪切率范围内，减阻可超过5%.与沟槽结构不同，随机粗糙结构的减阻效果随着剪切率增加呈递减趋势.于是，在沟槽结构上叠加随机的粗糙结构，其剪切力随剪切率的变化关系如图7所示.从图7可看出，所有的试样复合了粗糙结构后，其减阻效果都有一定改善.随剪切率的增加，其减阻幅度从5变化至2%，即在低剪切率下改善的更明显，当剪切率小于500S -1时，减阻率最大可提高约5%.5045 4035 30 25201510 50 2 4 6 8 1012 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2样品4 样品5 样品6 标准样5045403530252015105024681012 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2样品3*样品4*样品5*标准样样品2*样品1*图7 粗糙结构沟槽表面试样剪切力随剪切率的变化关系3.4 优化的粗糙结构沟槽面的减阻效果以上实验发现，沟槽宽度小、深度大和非线性排列将有利于减阻，同时表面粗糙化也在一定程度上改善减阻效果.依据这个实验事实，设计制造了具有优化结构的试样7，其沟槽深宽比见表2中结构参数3，沟槽采用非线性的排列方式，并复合以粗糙结构，该表面的减阻测试结果如图8所示.从图8可看出，优化结构后的试样其减阻效果有了明显的改善，在剪切率为200S -1~2000S -1时，可实现减阻约13%~19%，且随剪切率的增加呈递增趋势；在剪切率2000 S -1时，减阻可达18.9%.其具体减阻率大小如表3所示. 5045403530252015105024681012 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2粗糙表面标准样5045 4035 3025 201510 50 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2粗糙表面 标准样图8 优化结构试样的剪切力随剪切率的变化表3 试样7在不同剪切率下的减阻率剪切率/S -1200 300 400 500 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000减阻率/% 13.6 12.6 13.2 14.2 15.1 15.2 15.8 16.0 16.5 17.8 18.2 18.94 分析与讨论应用沟槽结构减阻的“第二涡群”论[9]（如图9所示）可以很好的解释本实验的结果.“第二涡群”论认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，二次涡减弱了与低速带条相联系的流向涡，从而抑制了低速带条的形成并减弱了低速带条的运动不稳定性（即低速带条缓慢向上提升继而振荡的过程被减弱）.实验中，当沟槽深度较深时，有利于猝发二次涡的形成，并可使二次涡的强度增加，因而更有利于减阻；而当沟槽宽度较宽时，其结构在剪切率较小时相当于平面，因而减阻效果较差.图9 “第二涡群”论的立体示意图[10]沟槽排列方式主要是影响流向涡的展向运动，引起壁面猝发变弱，降低了湍能耗损，从而最终达到减阻的目的.而制备沟槽非线性排列的试样，其沟槽的排列方式可包含各多种周期性，因此对多频谱的流向涡减阻起到显著作用.粗糙结构的减阻机理就在于微孔结构可以封闭部分空气，有利于产生边界滑移，并且水流经过粗糙结构时，产生了微小的漩涡，有利于消弱流向涡的强度.当剪切率较低时，边界滑移在减阻中其主要作用，同时漩涡也使减阻幅度进一步增加；但剪切率较大时，边界滑移很小，漩涡的影响变成主要因素.因而，粗糙结构在高剪切率下的减阻效果不如低剪切率下明显.将粗糙结构与非线性排列的沟槽结构复合，实现了减阻效果大幅度提高和减阻范围从小雷诺数扩展到大雷诺数区间.其主要原因是低剪切率减阻效果明显的粗糙结构与高剪切率下减阻效果明显的沟槽结合，使减阻范围得以扩大.同时，对沟槽排列方式的优化，可以显著提高减阻幅度.5 结论实验对沟槽结构参数及沟槽排列方式进行了对比实验.结果表明，沟槽宽度较小，深度较大，采用非线性的排列方式，减阻效果更明显；同时，对粗糙结构减阻效果进行了测试，发现粗糙结构在低剪切率下有一定减阻效果.最后，实验制得具有优化结构的试样，测试表明，在剪切率为200S -1~2000S -1时，可实现减阻约13%~19%，且随剪切率的增加呈递增趋势；在剪切率2000 S -1时，减阻可达18.9%.分析表明，粗糙结构、沟槽结构及沟槽的排列方式共同作用，实现了试样减阻效果大幅度提高和减阻范围从小雷诺数扩展到大雷诺数区间的目的. 产生二次涡涡前缘y 低速流体上升涡前缘 产生二次涡yu参考文献：[1] Walsh M J. Turbulent boundary layer drag reduction usingriblets[R].AIAA-82-0169, 1982.[2] Walsh M J, Lindemann A M.Optimization and applicationof riblets for turbulent drag reduction[R]. AIAA-84-0347, 1984.[3] Dinkelacker A, Nitschke-Kowsky P , Reif W . E..On thepossibility of drag reduction with the help of longitudinal ridges in the walls[C]. In: Liepmann H W , Narasimha R (eds), Proceedings of the IUTAM Symposium on Turbulence Management and Relaminarization, Bangalore, India, Jan. 1987.[4] Bechert D W , Bruse M, Hage W . Experiments withconventional and with three dimensional riblets as an idealized model of shark skin [J]. Exp. Fluids, 2000, 28(5): 403-412.[5] 王柯，宋保维.条纹沟槽表面水下航行器减阻实验研究[J].力学与实践，2005, 27(2): 18-21.[6] 任露泉，张成春等.仿生非光滑用于旋成体减阻的实验研究[J].吉林大学学报，2005, 35(4): 431-436. [7] 王晋军等.沟槽面湍流边界层减阻特性研究[J].中国造船，2001, 42(4): 1-5.[8] Sirovich L, Karlsson S.Turbulent drag reduction by passivemechanisms [J]. Nature, 1997, 388: 753-755.[9] Bechert E. V . et al.A combined visualization-anemometrystudy of the turbulent drag reducing mechanisms of triangular micro-groove surface modification[R]. AIAA-85-547, 1985.[10] 王晋军.沟槽面湍流减阻研究综述[J].北京航空航天大学学报，1998, 24 (1): 31-34.。

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。