肋条湍流减阻技术研究进展

彭梓航

(中国人民大学附属中学,北京 100080)

降低流体机械表面摩擦阻力,一直是流体力学领域研究的热点,同时也是一个具有重要经济利益的工程问题。以普通商用飞机为例,每降低1%的表面摩擦阻力,其有效负载可提升5～10%,可在节省燃料的同时提高飞机的运输效率。由于流体机械中大多数流体的流动处于湍流状态,为此,研究人员尝试并研究了大量湍流边界层减阻方法,如聚合物添加剂减阻,仿生减阻,壁面周期震动减阻等,其中,上世纪70年代美国NASA研究中心发现,仿鲨鱼皮的肋条(Riblet)结构在湍流状态下能够有效的减小壁面摩擦阻力,由于该方法不需要额外的能量损耗且结构简单,被认为是最具应用潜力的湍流减阻方法。本文从影响肋条减阻的因素、减阻机理及工程应用三方面介绍肋条湍流减阻技术的最新进展。

1 影响减阻因素

1.1 肋条几何形状

肋条的几何形状不同,其减阻效果有很大区别。在肋条减阻技术研究初期,三角形(V形)、梯形、扇贝形(U形)及刀刃形结构肋条是最常研究的几种肋条(如图1所示)。Bechert通过一系列精确的油洞实验发现,刀刃型肋条的减阻效果最好,在h/s=0.5,t/s=0.02的情况下(其中s为相邻肋条宽度,h为肋条高度,t为肋尖厚度),相比于光滑平板,其最大减阻可达9.9%。同时研究发现,肋尖厚度t对减阻效果的影响很大,t越大,会导致减阻效果显著下降。近年来,研究人员针对复杂形状的肋条做了很多研究工作,Sasamori通过对沿流向呈正弦型变化的刀刃肋条的研究发现,其减阻效果最大可达11.7%。Luo通过研究鲨鱼皮形状的三维肋条发现,在肋条处于不同的来流迎角下,其最大减阻效率可达12%[1]。随着加工工艺的进步,一些具有复杂结构形状的肋条也在逐渐进行相关的研究分析。

图1 三角形肋条示意图

1.2 肋条布置方式

肋条在流场当中有顺流向布置,垂直流向布置以及与流向成一定夹角布置等多种布置方式,通过对三角形肋条的研究发现,顺流向的布置方式肋条的减阻效果最好,随着肋条与流向的夹角增大,其减阻效果逐渐减小,在肋条与流向的夹角成30°以上时,肋条不具有减阻效果。

1.3 流场压力梯度

流体机械表面的压力梯度在流体中总是在不断变化,因此,研究流场压力梯度对肋条减阻效果的影响具有重要意义[2]。叶建,邹正平[3]通过大涡模拟发现逆压梯度下减阻效果相比零压梯度下有少量提高。钱凤超[4]发现逆压梯度下不规则肋条表面的减阻效果相比于零压梯度下提高了6%～7%。

图2 (a)“二次涡群论”示意图

图2 (b)“突出高度论”示意图

2 减阻机理

为了解释肋条减阻的原因,研究人员针对肋条减阻的机理从不同的角度进行了研究。“子层增厚论”认为,肋条的存在减小了壁面附近湍流边界层内的速度梯度,使得湍流边界层黏性子层增厚,肋条被淹没在黏性子层中,壁面附近流体的剪切力减小,壁面摩擦阻力减小。“二次涡群论”认为,肋条的肋尖与壁面附近的流向涡相互作用,在肋尖两侧形成了一对反向旋转的二次涡,二次涡的存在减弱了湍流边界层低速条带的生成,同时抑制了流体流动的不稳定性,使得边界层中猝发事件发生的频率减小,导致壁面低速流体和主流高速流体之间动量交换减小,形成减阻效果(如图2(a)所示)[5]“。突出高度论”认为,肋条表面流向等效虚拟原点和展向等效原点处于不同高度,造成肋条流向的突出高度hpl大于展向的突出高度hpc,当两者的差值Δh=hpl-hpc＞0时,就会抑制流体的展向运动,使得壁面摩擦阻力减小(如图2(b)所示)[6]。近年来,一些学者通过实验和数值模拟研究发现,沿展向周期性振动的壁面在湍流边界层中也具有一定的减阻效果,同时对肋条的研究发现,在减阻的情况下,肋条壁面附近出现了展向的“Rollers”,因此他们认为流体的展向运动并不是造成壁面阻力的主要原因。

从上面论述可以看出,前人的研究工作让人们对肋条的减阻机理有了非常丰富的认识,但是由于肋条减阻涉及的是湍流运动,而湍流运动当中湍流的形成及维持等相关理论仍需不清楚,所以目前对于肋条湍流减阻的机理没有统一的认识。

3 工程应用

由于肋条减阻技术是一种被动的湍流减阻技术,仅仅需要改变壁面形状就可以达到较好的减阻效果,且不需要消耗额外的能量,实际操作性强,因此现在已经进入了工程应用阶段。3 M公司在乙烯薄膜上加工出微米级别的三角形肋条薄膜vinyl-film,可通过贴膜方式应用到管道、船体以及飞机表面等。NASA研究中心和德国宇航中心最早开始将3 M公司制造的肋条薄膜应用在波音公司和空中客车的飞机上,通过在飞机70%的表面贴上肋条薄膜,达到了3%的减阻效果,相当于节省了3%的飞机燃油。同时肋条减阻技术在竞技体育中也具有广泛应用,如游泳、划船等项目,20世纪90年代美洲杯帆船比赛中一艘划艇底部被加工成了肋条结构,在当时引起了公众的关注。美国Speedo公司生产了具有肋条表面的“Fastskin”泳衣,与其他泳衣相比,该泳衣在水下可以达到3%～5%的减阻效果,2000年悉尼奥运会美国游泳选手Ian身穿“Fastskin”泳衣一举夺得三枚金牌,使得肋条减阻技术受到了人们的追捧,其工程应用也进入了快速发展阶段。在流体运输领域,K S B公司通过在多级泵的叶片上加工具有一定形状的肋条结构后,泵的运输效率提高了1.5%[7]。德国研究人员通过在16km的天然气管道内表面加工肋条结构,达到了一定的减阻效果。

4 问题与展望

随着湍流理论的发展,肋条减阻技术的机理研究及工程应用取得了突破性的发展,未来具有广阔的应用前景,但也存在不少问题有待解决。首先,由于肋条尺寸较小,给数值计算和实验测量带来一定困难,相关的计算和实验方法需要不断改进。其次,对于不同形状结构肋条的减阻规律目前并没有统一的认识,造成在肋条设计过程中没有一个统一的设计准则,这方面仍需进行进一步的理论研究。此外,肋条在实际应用中由于外界环境影响会造成减阻效果下降,可考虑肋条和其他湍流减阻技术如聚合物添加剂减阻技术,微气泡减阻技术相结合的减阻方法来增强整体的减阻效果,提高肋条减阻技术的实用性。

[1] Dean B, Bhushan B. Shark-skin surfaces for fluid-drag reduction in turbulent flow： a review[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London A： Mathematical,Physical and Engineering Sciences,2010,368(1929)：4775-4806.

[2] Saravi S S, Cheng K. A review of drag reduction by riblets and micro-textures in the turbulent boundary layers[J]. European Scientific Journal, ESJ, 2013, 9(33).

[3] 叶建,邹正平.逆压梯度下层流分离泡转捩的大涡模拟[J].工程热物理学报,2006,(3)：402-404.

[4] 钱凤超.仿生鱼鳞形凹坑表面减阻性能的数值研究[D].大连理工大学,2013.

[5] Bacher, E. V. and Smith, C. R. A combined visualisationane mometry study of the turbulent drag reduction mechanisms of triangular micro-groove surface modifications[J]. AIAA paper, 1985,85-0548.

[6] Bechert D W, Bruse M, Hage W, et al. Experiments on drag-reducing surfaces and their optimization with an adjustable geometry[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1997,(338)：59-87.

[7] 王树立,史小军,赵书华,等.沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展[J].西南石油大学学报,2008,(1)：146-150.