微沟槽减阻技术研究现状与进展综述

李炳炘, 张 浩、2, 玄克勇, 孙国梁

(1.山东建筑大学 热能工程学院,山东 济南 250101;2.山东省绿色建筑协同创新中心,山东 济南 250101;3.山东林李建筑设计有限公司,山东 济南 250014)

1 概述

随着经济不断发展,全世界都在面临着能源消耗急剧增加的问题。流动过程中的能量损耗逐渐引起了人们的重视,由此出现了许许多多的减阻技术,如添加剂减阻技术、壁面改进减阻技术等。其中,壁面改进减阻技术主要利用仿生学原理,通过改变壁面结构从而达到减阻效果,如微沟槽壁面[1-5]、超疏水壁面[6-9]、柔性壁面[10-12]。20世纪70年代末期,NASA兰利研究中心声称发现顺流向的微沟槽可以减小壁面上的阻力。空中客车公司发现将试验机70%的表面贴上脊状薄膜后可以省油1%～2%[13]。有研究表明,某型号飞机的飞行阻力减小,将会节省很多燃料[14]。通常我们评价船舶等交通运输工具的重要指标是其运行速度以及能量的消耗率,在航行过程中,船舶所受的阻力主要来源于船舶与水之间的阻力以及船舶由于前后存在的压力差所产生的压差阻力,这些阻力是能源消耗的主要原因[15]。马付良等[16]认为若要实现航行体的航行过程减阻,可以从摩擦切应力、速度、航行体垂直距离和航行体与水接触的面积来考虑。

摩擦阻力使输气管道产生了大量的能量损耗,美国相关研究数据表明,用于克服输运过程中阻力的能量占总能量消耗量的16%,若能减阻50%,每年将会节省约300×108美元[17]。由此可见,通过降低输运过程中的能量损耗,可以提升输运效率,达到节能的目的。

Rief[18]发现,鲨鱼在游动过程中,由于其表皮上存在鳞脊,可以降低其在水中游动的阻力。鲨鱼表皮并不是我们之前所认为的光滑表面,鲨鱼表皮微观结构见图1。人们因此受到了启发,产生了微沟槽减阻技术[19-20]。

图1 鲨鱼表皮微观结构

微沟槽减阻技术在航空航天、管道输运以及体育运动中都有着广泛的应用[21]。相比于其他减阻技术,微沟槽减阻技术凭借其操作简单、无污染、能量消耗较少等优点,成为非常具有发展前景的减阻技术。本文针对目前国内外学者对于微沟槽减阻技术的研究,从微沟槽减阻技术的减阻机理、研究现状、联合减阻以及微沟槽减阻技术的应用方面进行综述,并对该技术的未来发展方向进行展望。

2 微沟槽减阻技术的减阻机理

现如今,国际上关于微沟槽减阻的机理并没有实现统一,主要的3种减阻机理为突出高度论、微空气轴承论和第二涡群论。其中,认可度比较高的是突出高度论和第二涡群论。

2.1 突出高度论

突出高度论是由Bechert等[22]提出的。突出高度论认为,微沟槽的尖端由于几何形状的改变,使得速度变化较大,表观起点以下的流体速度梯度很小,相当于增厚了粘性底层,从而使得壁面处剪切应力降低,可以实现减阻。

涡的产生是因为流体流动或摩擦,平行于流体流动方向的涡称为流向涡,垂直于流体流动方向的涡称为展向涡。顾恩鑫[23]经过研究发现,微沟槽尖端部分的二次涡内部发生低速流动,从而使得速度梯度减小,相当于增加了粘性底层的厚度,剪切应力减小。Lee等[24]通过粒子图像测速法(PIV)进行实验,对展向涡进行了分析研究,发现微沟槽表面的展向涡数量相对于光滑表面来说更少,壁面的摩擦阻力相应减小。由此可以看出,突出高度论实际上是认为抑制了流体的展向运动。

2.2 微空气轴承论

微空气轴承论由潘家正[25]提出,潘家正通过进行风洞试验,用垂直于流动方向的适当截面尺寸的小肋条来“锁住”小涡,小涡可以进行旋转,就像一个个微型轴承,由此提出了微空气轴承论。王伟[26]研究发现,微沟槽表面的沟谷内形成了低速旋涡,抑制了湍流的发生,使流体与壁面间由滑动摩擦变成了滚动摩擦,从而减小了阻力。微空气轴承论减阻机理见图2。

图2 微空气轴承论减阻机理

2.3 第二涡群论

目前,比较具有影响力的是Bache于1985年提出的的第二涡群论。第二涡群论是将湍流产生机理作为出发点,对于微沟槽为什么具有减阻效果作出了解释。Bache认为,微沟槽的尖端会与流向涡相互影响,从而形成二次涡,该二次涡与流向涡的旋转方向正好相反,可以起到减弱流向涡强度的作用,同时使得沟谷处的流体保持低速状态[27]。二次涡的产生可以抑制流向涡强度,同时可以抑制在流动方向上低速条带沿壁面的流动。

魏进家等[28]发现微沟槽内存在较多尺寸小、旋转强度较弱的二次涡,这些二次涡的存在使得微沟槽可以约束侵入其内部的流向涡的展向运动。王卫强等[29]发现微沟槽尖端有二次涡产生,削弱了反向旋涡对的强度,因此可以达到减阻的效果。Choi等[30]认为在条纹微沟槽中,最可能由于微沟槽尖端与流向涡之间的相互作用实现了减阻。

3 研究现状

3.1 实验方法研究微沟槽减阻技术

① 矩形管道实验

Bechert等[31]在矩形管道内进行实验,石蜡基油为流体介质,采用可以进行高度调节的微沟槽,实验发现,最佳微沟槽尺寸为微沟槽高度和间距比为0.5,在此情况下,同光滑表面相比摩擦阻力减小了约9.9%。李恩田等[32]通过矩形管道压力降实验分别研究了壁面微沟槽和表面活性剂的减阻性能,后又研究了二者耦合后的减阻效果,发现壁面微沟槽和表面活性剂均具有减阻效果,且二者进行耦合后,减阻效果得到进一步提升,最高减阻率可以达到48.26%。严冬等[33]通过粒子图像测速技术研究了固体颗粒对放于平板湍流边界层中的平壁和微沟槽壁面的减阻效果的影响,结果表明,对于微沟槽壁面而言,加入固体颗粒后会降低微沟槽近壁处对数律区的湍流强度。

② 重力式管道实验

冯家兴等[34]通过重力式管道实验系统,研究了不同的通气流量下,减阻率随着雷诺数和微沟槽无量纲间距的变化情况,以及通气条件下单纯超疏水壁面和超疏水微沟槽壁面上减阻效果的差别。固体壁面与气体间存在着由气泡构成的气膜层,气膜层的存在可以使得超疏水壁面更加稳定。不同通气流量下微沟槽壁面处的气膜层图像见图3。图3a显示通气流量为0时,气膜层流失,只在微沟槽内部存有少量气体;图3b显示红框内的微沟槽已被气体所充满,但是红框外的微沟槽未被气体充满;图3c显示在通气流量为10 mL/s时,微沟槽已被气膜层完整包裹。由于气膜层的流失会影响减阻效果,通气流量增加可以改善气膜层流失问题,从而使得超疏水微沟槽结构的减阻能力增强。此外,在雷诺数保持不变、通气流量增加的前提下,气膜层更加均匀,减阻率上升,存在最佳通气流量。

图3 不同通气流量下微沟槽壁面处的气膜层图像

3.2 数值模拟方法研究微沟槽减阻技术

① 形状对微沟槽减阻效果的影响

微沟槽的形状以及张角对于减阻效果的影响引起了学者们的关注。丛茜等[35]用有限体积法分别对三角形、扇贝形和刀刃形3种形状的微沟槽进行了数值模拟,3种形状的微沟槽见图4。在保证3种形状微沟槽表面的特征尺寸、顶点间距d、微沟槽顶端到沟谷高度h均相同的前提下,分析了3种微沟槽表面的流场特性以及减阻效果。分别从剪应力、速度场以及雷诺应力方面进行了数值模拟,结果表明,三角形微沟槽表面减阻效果最不明显,刀刃形微沟槽表面减阻效果最佳。

图4 3种形状的微沟槽

袁一平等[36]将风力机专用翼型作为研究对象,在其上布置6种不相同的横向微沟槽,分析后得出微沟槽改变了吸力面的压力分布的结论,降低了翼型表面边界层的厚度,提升了翼型表面的速度梯度,因此翼型表面黏性阻力上升,三角形微沟槽可以减阻主要是因为降低了翼型表面的压差阻力。杜淑雅等[37]采用大涡模拟的方法,通过数值模拟分别分析三角形和梯形微沟槽对于湍流边界层的影响和减阻效果。结果表明,在相同无量纲条件下,相比于三角形微沟槽,梯形微沟槽的减阻效果更佳。徐琰等[38]利用CFD方法近似模拟了气体流动,研究了在不同参数条件下三角形微沟槽的减阻效果变化。其中,当三角形、矩形、半圆形、梯形4种形状的微沟槽处于低速区,且宽度以及高度相同时,发现三角形和梯形微沟槽减阻效果差距不大,三角形微沟槽的减阻效果优于矩形微沟槽。相对于其他3种微沟槽,半圆形微沟槽对气流的影响不是很大。不同形状的微沟槽在不同参数条件下减阻效果有所差别。

② 张角对微沟槽减阻效果的影响

王松岭等[39]通过数值模拟分析了在90°、120°、150°张角时,三角形微沟槽减阻效果的差别。分析发现,当来流速度为25 m/s、张角为90°时,可以获得最佳减阻效果。

③ 雷诺数对微沟槽减阻效果的影响

雷诺数是流体惯性力与黏性力的量度。雷诺数的改变对微沟槽减阻效果产生一定影响。李恩田[21]采用直接数值模拟的方法,通过改变来流速度,研究了在雷诺数不同时三角形微沟槽的减阻效果的变化,研究结果显示,对于三角形微沟槽,适当的来流速度范围使得三角形微沟槽具有较好的减阻效果。陈璠等[40]通过数值模拟分别研究了在横向和纵向微沟槽中,不同微沟槽构型在不同雷诺数条件下减阻效果的差别。结果表明,对于横向微沟槽,在高雷诺数条件下,微沟槽间距较大的横向微沟槽减阻效果较好;在低雷诺数条件下,微沟槽数量较多的横向微沟槽减阻效果较好。而对于纵向微沟槽,雷诺数对其影响并不大,但纵向微沟槽在计算范围内,减阻效果始终好于横向微沟槽。刘志华等[41]通过改变三角形微沟槽的布置位置和来流速度,研究了雷诺数对微沟槽减阻效果的影响。结果表明,雷诺数对微沟槽减阻效果的影响应当分别分析来流速度以及微沟槽布置位置对微沟槽减阻效果的影响。来流速度对于微沟槽的减阻效果有着很大影响,存在一个最佳来流速度,当来流速度等于最佳来流速度时,减阻效果最好。王晨飞[42]通过数值模拟探究了不同微沟槽参数对锯齿形微沟槽以及刀刃形微沟槽减阻效果的影响。在无量纲参数相同的条件下,刀刃形微沟槽结构相比于锯齿形微沟槽结构,减阻效果更好。当雷诺数改变时,不管是刀刃形还是锯齿形微沟槽,当无量纲间距在15左右、无量纲高度在10左右时,可以取得最佳减阻效果。随后研究了超疏水沟槽壁面减阻,研究发现,超疏水沟槽存在壁面滑移现象,正是由于这种现象的存在,使得近壁面处速度增加,流体阻力减小。超疏水锯齿形微沟槽的减阻效果优于超疏水刀刃形微沟槽。在最佳来流速度范围内,微沟槽减阻效果最好。

④ 圆角半径对微沟槽减阻效果的影响

将微沟槽尖峰处加工成圆角,从而使得尖峰处扰动减小。微沟槽尖峰处圆角对减阻效果有影响最初由李新华等[43]发现,由于加工出现误差使得微沟槽尖峰处产生了小弧度圆角,导致微沟槽结构非但不会减阻反而出现了增阻的现象,由此李新华等认为尖峰处的曲率会对微沟槽减阻效果产生影响。刘志华等[44]发现,微沟槽尖峰处圆角半径越小,即微沟槽尖峰越尖,减阻效果越好。

4 联合减阻

4.1 添加剂与微沟槽联合减阻

添加剂减阻主要是表面活性剂减阻与高分子聚合物减阻。由于添加剂减阻与微沟槽减阻在减阻机理上可以实现互补,因此二者联合减阻可以达到更好的减阻效果。李恩田[45]通过粒子图像测速实验和阻力测试实验分别研究了室温下表面活性剂十六烷基三甲基氯化铵(CTAC)和高分子聚合物聚丙烯酰胺(PAM)两种添加剂、三角形微沟槽以及两种添加剂与三角形微沟槽联合的减阻效果。研究发现,表面活性剂CTAC和高分子聚合物PAM两种添加剂的减阻效果受浓度和雷诺数影响,随着浓度升高,减阻效果越来越好,减阻率随雷诺数增加先增加后减小;三角形微沟槽减阻效果受微沟槽的尺寸影响,微沟槽深宽比越大,减阻效果越好,随着微沟槽的无量纲沟槽宽增大,微沟槽减阻效果先增加后降低;对于表面活性剂CTAC来说,壁面微沟槽可以增强表面活性剂CTAC的减阻效果,但减阻效果会受到微沟槽尺寸及雷诺数的影响;对于高分子聚合物PAM来说,壁面微沟槽对PAM减阻效果的增强,会受到微沟槽张角以及雷诺数的影响,随雷诺数增大呈现先增强后减弱的趋势。

魏进家等[28]通过数值模拟的方法探究了表面活性剂溶液在不同尺寸矩形微沟槽结构内的减阻情况。结果表明在合适尺寸的微沟槽结构内,表面活性剂溶液可以得到更好的减阻性能,除此之外,微沟槽的最佳减阻尺寸在表面活性剂溶液中也可以放大。且魏进家等提出,微沟槽和表面活性剂溶液耦合后可以加强减阻效果的原因在于约束作用和尖峰作用的影响。朱涵[15]通过建立粘弹性流体数值模型,研究了三维流动减阻的原理,对表面活性剂与微沟槽耦合减阻做了探究。研究发现,当雷诺数增大时,减阻率会随之产生先增大后减小的趋势。减阻效果的出现是因为当雷诺数较为合适时,会出现流体的滑移现象,从而会使得流体与内壁间摩擦力减小,而后期当雷诺数继续增加时,不仅无法减阻,反而产生增阻现象,原因是产生了更加细小的涡旋侵入了槽谷内,从而产生增阻现象。表面活性剂可以强化微沟槽的减阻效果,且存在一个合适的雷诺数范围,在该范围内,可以实现减阻,超出该范围会出现增阻现象。李恩田等[32]通过研究不同浓度高分子聚合物(简称高聚物)溶液在宽高比为0.7的三角形微沟槽管道内的减阻效果,发现随着高聚物溶液浓度增加,减阻效果越来越好。

4.2 超疏水壁面与微沟槽联合减阻

王者风[46]通过利用多相流模型VOF和雷诺应力模型RSM进行了浸润性和数值仿真模拟,随后又对矩形和三角形微沟槽进行了浸润性仿真模拟,发现特征尺寸75 μm内微沟槽具有较好的疏水性和减阻性。刘丽霞等[47]进行粒子图像测速实验,研究了湍流边界层在微沟槽超疏水复合壁面的瞬时速度场。用超快激光刻蚀的方法在铝板上制出了超疏水壁面模型和超疏水微沟槽复合壁面模型,该超疏水微沟槽复合壁面的减阻率可达20.7%,而超疏水壁面减阻率只有14.6%。

5 微沟槽减阻技术的应用

5.1 航行体减阻

随着经济不断发展,人们对于航行体的耗油量逐渐重视。飞机飞行过程中,阻力大部分是摩擦阻力以及诱导阻力,民用客机阻力降低1%可以给航空公司带来可观的经济效益[48]。Huang等[49]从湍流边界层角度对微沟槽进行了研究,并在机翼表面覆微沟槽薄膜,降低了约7%的阻力。德国一航空公司发现当安装了微沟槽薄膜后,飞机耗油量减少了8%[50]。对于航行体来说,为了避免腐蚀,会在其表面进行涂漆处理,但是目前存在着漆层较微沟槽结构来说尺寸较大的问题,该问题的存在会大大降低微沟槽减阻效果。

5.2 管道减阻

在管道运输过程中,表面摩擦阻力是运输过程阻力的重要组成部分,因此如何降低管道内的表面摩擦阻力成为人们关注的焦点。李贝贝等[51]研发了一种不需要任何附加设备、只需在管道上加工出微沟槽结构或在管道内壁敷设有微沟槽结构的薄膜,从而实现减阻效果。Bechert[52]指出一条长16 km、管道内壁面布置了清洁微沟槽的天然气管道,在实际应用过程中阻力降低了10%。长距离管道运输有压力大、距离长、阻力大的特点,因此微沟槽减阻技术的应用对于长距离管道运输具有非常大的实用价值[53-54]。

6 结论与展望

微沟槽减阻技术具有操作简单、无污染、能量消耗较少等优点,成为目前具有广阔发展前景的减阻技术,已应用于航运、管道输运中。针对目前国内外微沟槽技术的研究,作出如下展望。

① 目前使用较多的是单一的减阻技术,多种减阻技术联合减阻仍需要继续研究。可以通过控制参数等方法研究出更好的减阻方法。

② 微沟槽结构存在着形状较为复杂且尺寸很小、不易加工等问题。目前,3D打印技术快速发展,今后可以将3D打印技术应用到减阻技术中,更加方便、快捷地制造出微沟槽结构。

③ 在航行体表面设置微沟槽结构时,由于腐蚀等问题,需进行涂漆处理,漆层较微沟槽结构来说尺寸较大,这大大降低了微沟槽结构的减阻效果,因此如何改进加工工艺使得减阻效果增强值得深入研究。