Riblets Surface减阻

樊启泰 薛亚波 成 德/上海交通大学机械与动力工程学院

0 引言

随着经济社会的发展，全球各国对能源的需求急剧增加，尤其是中国这样一个经济高速增长的发展中国家，对能源的需求程度备受世界关注。英国石油（BP）曾在《世界能源统计年鉴》中称：“2010 年中国超过美国成为世界上最大的能源消费国。”

面对我国能源的巨大消耗以及传统能源的有限性，我国石油能源对外依存度已经超过50%[1]，从某种程度上来说，这已经威胁到我国的能源安全。我们需要从开源节流两个方面入手，来解决能源问题。开源就是大力发展各种新能源，如核能、风能、太阳能以及生物能等；节能就是降低社会经济发展中得一些不必要的能源损耗，从而达到整体上解决我国的能源问题的目的。

目前，流体机械是社会生产与生活中一种主要的运动驱动设备，已成为最主要的能源消耗设备。以2008年数据为例，我国流体机械行业年耗电量为17 271 亿kW·h,占国民总耗电量50%[2]。由于生产生活中使用的流体机械的效率偏低，导致大量的能源被消耗。如果将流体机械的综合效率提高1%，将为我国实现节能173 亿kW·h，已接近三峡水坝设计年发电量1 000 亿kW·h[3]的1/5。因此，流体机械叶轮减阻研究，对实现节能以及提升我国流体机械制造水平，具有重要意义。

1 riblets减阻研究进展及成果

减阻是不仅是迷人的一个学术话题，更是一个具有巨大应用前景的工程问题。减阻研究可追溯到20世纪30年代，从30年代到60年代，主要研究工作集中在减小表面粗糙度上，隐含的假设是光滑表面的阻力最小。70 年代NASA 兰利研究中心发现，顺流向的沟槽表面能有效降低表面摩阻，具有一定尺度的三角形沟槽为最佳减阻沟槽形状。该研究中心不仅提出了V型减阻的设想，并且与80年代末在实验室中加工出了V型沟槽表面。

截止目前，数十种方法被应用与减阻尝试，如添加剂减阻、气幕减阻、柔顺壁面减阻、振动壁面减阻以及非光滑表面减阻等。目前，虽然存在大量的减阻方式，但是就减阻技术本身而言，可以分为两大类：1.聚合物添加剂减阻法；2.边界层控制法。聚合物添加剂减阻法，是通过在流体中添加各种添加剂，以此改变流体的剪切特性来实现减阻的，常用于石油管道输送方面。边界层控制法，是通过改变固体壁面结构，从而改变流体边界层处的流动结构，从而实现减阻的，主要用于飞行器、水下航行器等相关领域。

边界层控制法减阻研究中，非光滑表面由于其能耗小等独特的优势，被广为关注。riblets surface起始于仿生学研究。1965年，克拉默研究海豚运动被看作是肋条表面研究的起点；1967年，乌克兰基辅水动力学院研究所的摩科洛夫在研究涡屏蔽过程中，提出了条纹沟槽表面降低水动力阻力的可能性研究机理，并正式提出“riblets”这一科学词汇。从此，大量的实验研究与理论研究，分别从不同的角度来阐释减阻这一话题。目前，riblets surface减阻技术以其能源损耗低，简单易行成为焦点。

20 世纪80 年代，NASA 研究中心的Walsh 等人首先展开了肋条减阻的实验研究，结果表明，V型肋条具有最好的减阻效果，控制肋条参数，可达8%的减阻效果。此后，Berhert 和Brushed 测试了多种肋条表面的减阻效能，同样也发现V型肋条减阻效果最好，研究结果表明，其减阻效果最大可达10%。Gallagher 和Thomas 通过对流速分布的测量，利用边界层动量积分公式对肋条减阻进行了研究，研究表明，只在沟槽的后半部分阻力有所减小，总体的阻力几乎不变。但是不久，Bacher和Smith 采用同样的方法进行试验研究，却得到了25%的净减阻。Park 和Wallace 采用热线风速仪详细测量沟槽内的流向速度场，通过对沟槽壁切应力的积分，得到了大约4%的减阻。Debisschop和Nieuwstadt通过直接测量压力和速度的方法发现，在逆压梯度的湍流边界层中，采用肋条表面可以得到13%的减阻。Wiswanath的实验结果表明，通过优化肋条结构，机翼在低速入射风洞中，可以实现减阻5%～8%。Lee 和Jang 在NACA-0012 翼型表面黏贴一层肋条薄膜，进行试验研究，结果表明，在雷诺数Re=1.54×104时，减阻6.6%，Re=4.62×104时，减阻9.8%。

国内研究始于上世纪末，王柯回转体表面加工符合一定条件的条纹沟槽具有明显的减阻效果，在零攻角条件下减阻量约8.3%。王晋军四种不同尺寸的沟槽平板进行了水槽试验，说明了沟槽平板具有减阻特性，局部阻力减少高达13%～26%。宫武旗等人在Re=1.18×105和Re=2.63×105的情况下，测得沟槽壁面相对于光滑壁面的减阻分别为7.63%和6.20%。杨弘炜菱形网状小圆坑点阵结构，水洞试验表明，这种结构应用于NACA-16012 翼型表面的减阻效果最高可达22%。

国内外大量的实验研究结果表明，非光滑表面可实现减阻效果，已成为一个不争的事实。由于不同学者采用了不同的研究方法，而且测试条件也存在一定差异，因此在减阻效果方面，存在着争议。但是目前学术界公认的最大减阻效果为8%。

2 CFD建模分析

建模分析过程中，仍采用传统N-S方程来描述流体流动。分析中采用不可压缩假设。控制方程仍采用连续方程和运动方程来描述。

运动方程

求解过程仍采用传统处理方法，即对基本方程进行雷诺平均后，补充k方程和ε方程，将雷诺应力项与时均项联系起来，使得方程封闭，即采用k-ε紊流模型。求解器采用fluent 商用计算流体动力学软件。

采用Gambit软件进行几何建模与网格划分，几何模型与网格划分结果如图1和图2所示。由于riblets surface表面存在较小的肋条特征结构，因此在网格划分时，对壁面处采用网格加密技术进行了加密。

图1 光滑表面与肋条表面建模图

图2 光滑表面与肋条表面网格划分图

求解过程中，采用fluent软件进行求解，流畅内的速度云图如图3 所示。流场内部边界层处速度明显低于中心区域，因此模拟结果较为可信。为观察流场内部断面内的速度分布结构，垂直于流动方向截取流场横断面，其速度分布如图4所示。可以看出，在上下两个面处，流场分布结构差异不大。

图3 流场速度云图

图4 流场内切面速度等高线图

为对比光滑表面与粗糙表面附近的速度差异，在流场中心从光滑表面到粗糙表面选取一条监测线，绘制该监测线上的速度分布，如图5 所示。从速度分布曲线可以看出，光滑表面与非光滑表面处的速度分布出现了轻微差异，与光滑表面相比，远离非光滑表面的过程中，速度增长较慢。为了更清楚的看出光滑表面与非光滑表面附近的速度变化差异，绘制了该监测线上的速度梯度曲线，如图6 所示。明显可以看出，非光滑表面上的速度梯度小于光滑表面。

图5 光滑表面到非光滑表面速度分布图

图6 光滑表面到非光滑表面速度梯度分布图

考虑到非光滑表面上存在峰谷结构，监测线的选取不能全面反映表面速度梯度结构，因此提取出光滑表面和非光滑表面上的速度梯度值进行处理，绘制出两个表面上的速度梯度，如图7所示，其中黑色数据为光滑表面速度梯度值，灰色数据位非光滑表面速度梯度值。明显可以看出，大部分区域内，非光滑表面速度梯度值明显小于光滑表面速度梯度值。从仿真结果可见，非光滑表面可以有效实现减阻，且对整个流场的影响作用区域不大。主要作用机理是通过会影响速度梯度分布，减小表面速度梯度值。根据牛顿内摩擦定律，可以减小流体阻力，从而降低能耗。

图7 光滑表面与非光滑表面速度梯度数据对比图

3 流体机械减阻力技术路线与建议

A320 试验机约70%的表面贴上了沟槽减阻薄膜，获得1%～2%的节油效果；NASA 兰利中心对Learjet 型飞机的飞行试验表明减阻6%的量级；20世纪80年代，德国的飞机制造商用代沟槽的飞机机身使飞机节省燃料8%；KSB 将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%；Speedo公司生产的具有沟槽表面的减阻泳衣，获得3%～5%的减阻效果。国内1:12的运七金属模型上黏贴顺流向沟槽薄膜后达到了减阻5%～8%。鉴于riblets surface 减阻已有大量成功应用的案例，针对流体机械这一对象，考虑减阻技术的研究现状以及核主泵的实际以及文献[3]与[4]中提到的技术路线，初步选用技术方案简单、额外能耗相对较小、研究相对成熟的肋条减阻技术。

前人研究结果表明，影响沟槽减阻效果的因素有：

1）沟槽截面的几何形状，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，层流底层的厚度越大，沟槽对湍流逆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。

2）沟槽的无量纲尺寸，沟槽的无量纲尺度与流向涡的平均尺度应相当或更大，以使大部分流向涡因无法进入沟槽而保持在沟槽面上部，只有有限表面暴露在流向涡诱导的具有高剪切率的流体中。无量纲h+＜25，s+＜30 时具有减阻特性，h+=s+=15时，可减阻8%。

3）沟槽尖角圆角半径，梯形沟槽加工中出现截面峰部两肩稍钝，有一定的弧度，在极小范围内减阻，而在其他范围内增阻，上凸半圆形的槽峰圆角使表面总阻力表现为增大趋势，数值模拟结果显示，沟槽尖峰处得圆角半径越小减阻效果越好，最大减阻效果可达6.6%。而尖峰圆角半径达到50%h后，三角沟槽就几乎没有减阻效果。

4）流场情况，外部流场与沟槽表面的相互影响主要在近壁区，小压力梯度和零压力梯度，减阻效果存在，中等或强压力梯度下，沟槽面减阻效果依然存在还是消失还存在争论。

5）沟槽的减阻效果主要在沟槽底部，而在沟槽顶点附近没有减阻效果。沟槽方向与流向，传统观点认为，顺流向沟槽减阻效果好，而横向沟槽减阻效果不明显，但是也有文献报道，悬挂式天平试验测得，垂直流向仿制的小尺寸沟槽能获得10.2%的减阻效果。

针对减阻研究内容，结合流体机械，提出以下研究思路：

1）针对目前的研究实例，讨论在给定工况下，来确定riblets的几何参数，实现减租效果。

2）从流体机械的流动参数出发，采用CFD软件进行仿真计算，确定实现减阻效果的沟槽表面肋条的几何特征参数。

3）在给定的riblets几何参数下，讨论其他参数的改变，能在多大范围内仍有减阻效果。

4）确定好几何参数后，通过改变流体机械速度、压力、转速等参数，保证有最低减阻要求的情况下，确定各参数允许的变动范围。

5）从稳定性上来确定，其能否长时间保持这样的减阻效果，及研究沟槽表面失效机理。

6）研究微观表面的腐蚀磨损机理，预测微观表面的失效时间。研究微观表面的成形工艺，用以指导过流部件的生产制造。

[1]BP Statistical Review of World Energy，June 2012.http://www.bp.com/sectiongenericarticle800.do?categoryId=9037130&contecontentId=7068669

[2]渠时远.流体机械节能减排现状、任务与对策[J].通用机械,2012(10)：34-36.

[3]三峡大坝.http://baike.baidu.com/view/26251.htm.

[4]郭杰，耿兴国，高鹏，等.边界层控制法减阻技术研究进展[J].鱼雷技术，2008（1）：1-6.

[5]T.RomansG.Hirt.Rolling of Drag Reducing Riblet Surfaces,2010，ASME Conference.

[6]BerendDenkena,Jens Kohler,Bo Wang.Manufacturing of functional riblet structure in profile grinding，2010，CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology.