Riblets Surface減阻

樊啟泰 薛亞波 成 德/上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院

0 引言

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，全球各國對能源的需求急劇增加，尤其是中國這樣一個經(jīng)濟高速增長的發(fā)展中國家，對能源的需求程度備受世界關(guān)注。英國石油（BP）曾在《世界能源統(tǒng)計年鑒》中稱：“2010 年中國超過美國成為世界上最大的能源消費國。”

面對我國能源的巨大消耗以及傳統(tǒng)能源的有限性，我國石油能源對外依存度已經(jīng)超過50%[1]，從某種程度上來說，這已經(jīng)威脅到我國的能源安全。我們需要從開源節(jié)流兩個方面入手，來解決能源問題。開源就是大力發(fā)展各種新能源，如核能、風(fēng)能、太陽能以及生物能等；節(jié)能就是降低社會經(jīng)濟發(fā)展中得一些不必要的能源損耗，從而達(dá)到整體上解決我國的能源問題的目的。

目前，流體機械是社會生產(chǎn)與生活中一種主要的運動驅(qū)動設(shè)備，已成為最主要的能源消耗設(shè)備。以2008年數(shù)據(jù)為例，我國流體機械行業(yè)年耗電量為17 271 億kW·h,占國民總耗電量50%[2]。由于生產(chǎn)生活中使用的流體機械的效率偏低，導(dǎo)致大量的能源被消耗。如果將流體機械的綜合效率提高1%，將為我國實現(xiàn)節(jié)能173 億kW·h，已接近三峽水壩設(shè)計年發(fā)電量1 000 億kW·h[3]的1/5。因此，流體機械葉輪減阻研究，對實現(xiàn)節(jié)能以及提升我國流體機械制造水平，具有重要意義。

1 riblets減阻研究進展及成果

減阻是不僅是迷人的一個學(xué)術(shù)話題，更是一個具有巨大應(yīng)用前景的工程問題。減阻研究可追溯到20世紀(jì)30年代，從30年代到60年代，主要研究工作集中在減小表面粗糙度上，隱含的假設(shè)是光滑表面的阻力最小。70 年代NASA 蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)，順流向的溝槽表面能有效降低表面摩阻，具有一定尺度的三角形溝槽為最佳減阻溝槽形狀。該研究中心不僅提出了V型減阻的設(shè)想，并且與80年代末在實驗室中加工出了V型溝槽表面。

截止目前，數(shù)十種方法被應(yīng)用與減阻嘗試，如添加劑減阻、氣幕減阻、柔順壁面減阻、振動壁面減阻以及非光滑表面減阻等。目前，雖然存在大量的減阻方式，但是就減阻技術(shù)本身而言，可以分為兩大類：1.聚合物添加劑減阻法；2.邊界層控制法。聚合物添加劑減阻法，是通過在流體中添加各種添加劑，以此改變流體的剪切特性來實現(xiàn)減阻的，常用于石油管道輸送方面。邊界層控制法，是通過改變固體壁面結(jié)構(gòu)，從而改變流體邊界層處的流動結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)減阻的，主要用于飛行器、水下航行器等相關(guān)領(lǐng)域。

邊界層控制法減阻研究中，非光滑表面由于其能耗小等獨特的優(yōu)勢，被廣為關(guān)注。riblets surface起始于仿生學(xué)研究。1965年，克拉默研究海豚運動被看作是肋條表面研究的起點；1967年，烏克蘭基輔水動力學(xué)院研究所的摩科洛夫在研究渦屏蔽過程中，提出了條紋溝槽表面降低水動力阻力的可能性研究機理，并正式提出“riblets”這一科學(xué)詞匯。從此，大量的實驗研究與理論研究，分別從不同的角度來闡釋減阻這一話題。目前，riblets surface減阻技術(shù)以其能源損耗低，簡單易行成為焦點。

20 世紀(jì)80 年代，NASA 研究中心的Walsh 等人首先展開了肋條減阻的實驗研究，結(jié)果表明，V型肋條具有最好的減阻效果，控制肋條參數(shù)，可達(dá)8%的減阻效果。此后，Berhert 和Brushed 測試了多種肋條表面的減阻效能，同樣也發(fā)現(xiàn)V型肋條減阻效果最好，研究結(jié)果表明，其減阻效果最大可達(dá)10%。Gallagher 和Thomas 通過對流速分布的測量，利用邊界層動量積分公式對肋條減阻進行了研究，研究表明，只在溝槽的后半部分阻力有所減小，總體的阻力幾乎不變。但是不久，Bacher和Smith 采用同樣的方法進行試驗研究，卻得到了25%的凈減阻。Park 和Wallace 采用熱線風(fēng)速儀詳細(xì)測量溝槽內(nèi)的流向速度場，通過對溝槽壁切應(yīng)力的積分，得到了大約4%的減阻。Debisschop和Nieuwstadt通過直接測量壓力和速度的方法發(fā)現(xiàn)，在逆壓梯度的湍流邊界層中，采用肋條表面可以得到13%的減阻。Wiswanath的實驗結(jié)果表明，通過優(yōu)化肋條結(jié)構(gòu)，機翼在低速入射風(fēng)洞中，可以實現(xiàn)減阻5%～8%。Lee 和Jang 在NACA-0012 翼型表面黏貼一層肋條薄膜，進行試驗研究，結(jié)果表明，在雷諾數(shù)Re=1.54×104時，減阻6.6%，Re=4.62×104時，減阻9.8%。

國內(nèi)研究始于上世紀(jì)末，王柯回轉(zhuǎn)體表面加工符合一定條件的條紋溝槽具有明顯的減阻效果，在零攻角條件下減阻量約8.3%。王晉軍四種不同尺寸的溝槽平板進行了水槽試驗，說明了溝槽平板具有減阻特性，局部阻力減少高達(dá)13%～26%。宮武旗等人在Re=1.18×105和Re=2.63×105的情況下，測得溝槽壁面相對于光滑壁面的減阻分別為7.63%和6.20%。楊弘煒菱形網(wǎng)狀小圓坑點陣結(jié)構(gòu)，水洞試驗表明，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于NACA-16012 翼型表面的減阻效果最高可達(dá)22%。

國內(nèi)外大量的實驗研究結(jié)果表明，非光滑表面可實現(xiàn)減阻效果，已成為一個不爭的事實。由于不同學(xué)者采用了不同的研究方法，而且測試條件也存在一定差異，因此在減阻效果方面，存在著爭議。但是目前學(xué)術(shù)界公認(rèn)的最大減阻效果為8%。

2 CFD建模分析

建模分析過程中，仍采用傳統(tǒng)N-S方程來描述流體流動。分析中采用不可壓縮假設(shè)。控制方程仍采用連續(xù)方程和運動方程來描述。

運動方程

求解過程仍采用傳統(tǒng)處理方法，即對基本方程進行雷諾平均后，補充k方程和ε方程，將雷諾應(yīng)力項與時均項聯(lián)系起來，使得方程封閉，即采用k-ε紊流模型。求解器采用fluent 商用計算流體動力學(xué)軟件。

采用Gambit軟件進行幾何建模與網(wǎng)格劃分，幾何模型與網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1和圖2所示。由于riblets surface表面存在較小的肋條特征結(jié)構(gòu)，因此在網(wǎng)格劃分時，對壁面處采用網(wǎng)格加密技術(shù)進行了加密。

圖1 光滑表面與肋條表面建模圖

圖2 光滑表面與肋條表面網(wǎng)格劃分圖

求解過程中，采用fluent軟件進行求解，流暢內(nèi)的速度云圖如圖3 所示。流場內(nèi)部邊界層處速度明顯低于中心區(qū)域，因此模擬結(jié)果較為可信。為觀察流場內(nèi)部斷面內(nèi)的速度分布結(jié)構(gòu)，垂直于流動方向截取流場橫斷面，其速度分布如圖4所示?？梢钥闯?，在上下兩個面處，流場分布結(jié)構(gòu)差異不大。

圖3 流場速度云圖

圖4 流場內(nèi)切面速度等高線圖

為對比光滑表面與粗糙表面附近的速度差異，在流場中心從光滑表面到粗糙表面選取一條監(jiān)測線，繪制該監(jiān)測線上的速度分布，如圖5 所示。從速度分布曲線可以看出，光滑表面與非光滑表面處的速度分布出現(xiàn)了輕微差異，與光滑表面相比，遠(yuǎn)離非光滑表面的過程中，速度增長較慢。為了更清楚的看出光滑表面與非光滑表面附近的速度變化差異，繪制了該監(jiān)測線上的速度梯度曲線，如圖6 所示。明顯可以看出，非光滑表面上的速度梯度小于光滑表面。

圖5 光滑表面到非光滑表面速度分布圖

圖6 光滑表面到非光滑表面速度梯度分布圖

考慮到非光滑表面上存在峰谷結(jié)構(gòu)，監(jiān)測線的選取不能全面反映表面速度梯度結(jié)構(gòu)，因此提取出光滑表面和非光滑表面上的速度梯度值進行處理，繪制出兩個表面上的速度梯度，如圖7所示，其中黑色數(shù)據(jù)為光滑表面速度梯度值，灰色數(shù)據(jù)位非光滑表面速度梯度值。明顯可以看出，大部分區(qū)域內(nèi)，非光滑表面速度梯度值明顯小于光滑表面速度梯度值。從仿真結(jié)果可見，非光滑表面可以有效實現(xiàn)減阻，且對整個流場的影響作用區(qū)域不大。主要作用機理是通過會影響速度梯度分布，減小表面速度梯度值。根據(jù)牛頓內(nèi)摩擦定律，可以減小流體阻力，從而降低能耗。

圖7 光滑表面與非光滑表面速度梯度數(shù)據(jù)對比圖

3 流體機械減阻力技術(shù)路線與建議

A320 試驗機約70%的表面貼上了溝槽減阻薄膜，獲得1%～2%的節(jié)油效果；NASA 蘭利中心對Learjet 型飛機的飛行試驗表明減阻6%的量級；20世紀(jì)80年代，德國的飛機制造商用代溝槽的飛機機身使飛機節(jié)省燃料8%；KSB 將多級泵的葉片表面加工成一定形狀的溝槽后，綜合效率提高了1.5%；Speedo公司生產(chǎn)的具有溝槽表面的減阻泳衣，獲得3%～5%的減阻效果。國內(nèi)1:12的運七金屬模型上黏貼順流向溝槽薄膜后達(dá)到了減阻5%～8%。鑒于riblets surface 減阻已有大量成功應(yīng)用的案例，針對流體機械這一對象，考慮減阻技術(shù)的研究現(xiàn)狀以及核主泵的實際以及文獻[3]與[4]中提到的技術(shù)路線，初步選用技術(shù)方案簡單、額外能耗相對較小、研究相對成熟的肋條減阻技術(shù)。

前人研究結(jié)果表明，影響溝槽減阻效果的因素有：

1）溝槽截面的幾何形狀，溝槽頂角越小，溝槽谷底間距和溝槽表面形狀曲線的斜率越大，則二次渦被抬的越高，層流底層的厚度越大，溝槽對湍流逆序結(jié)構(gòu)中流向渦的展向渦卷影響越大，溝槽表面減阻效果越好。

2）溝槽的無量綱尺寸，溝槽的無量綱尺度與流向渦的平均尺度應(yīng)相當(dāng)或更大，以使大部分流向渦因無法進入溝槽而保持在溝槽面上部，只有有限表面暴露在流向渦誘導(dǎo)的具有高剪切率的流體中。無量綱h+＜25，s+＜30 時具有減阻特性，h+=s+=15時，可減阻8%。

3）溝槽尖角圓角半徑，梯形溝槽加工中出現(xiàn)截面峰部兩肩稍鈍，有一定的弧度，在極小范圍內(nèi)減阻，而在其他范圍內(nèi)增阻，上凸半圓形的槽峰圓角使表面總阻力表現(xiàn)為增大趨勢，數(shù)值模擬結(jié)果顯示，溝槽尖峰處得圓角半徑越小減阻效果越好，最大減阻效果可達(dá)6.6%。而尖峰圓角半徑達(dá)到50%h后，三角溝槽就幾乎沒有減阻效果。

4）流場情況，外部流場與溝槽表面的相互影響主要在近壁區(qū)，小壓力梯度和零壓力梯度，減阻效果存在，中等或強壓力梯度下，溝槽面減阻效果依然存在還是消失還存在爭論。

5）溝槽的減阻效果主要在溝槽底部，而在溝槽頂點附近沒有減阻效果。溝槽方向與流向，傳統(tǒng)觀點認(rèn)為，順流向溝槽減阻效果好，而橫向溝槽減阻效果不明顯，但是也有文獻報道，懸掛式天平試驗測得，垂直流向仿制的小尺寸溝槽能獲得10.2%的減阻效果。

針對減阻研究內(nèi)容，結(jié)合流體機械，提出以下研究思路：

1）針對目前的研究實例，討論在給定工況下，來確定riblets的幾何參數(shù)，實現(xiàn)減租效果。

2）從流體機械的流動參數(shù)出發(fā)，采用CFD軟件進行仿真計算，確定實現(xiàn)減阻效果的溝槽表面肋條的幾何特征參數(shù)。

3）在給定的riblets幾何參數(shù)下，討論其他參數(shù)的改變，能在多大范圍內(nèi)仍有減阻效果。

4）確定好幾何參數(shù)后，通過改變流體機械速度、壓力、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，保證有最低減阻要求的情況下，確定各參數(shù)允許的變動范圍。

5）從穩(wěn)定性上來確定，其能否長時間保持這樣的減阻效果，及研究溝槽表面失效機理。

6）研究微觀表面的腐蝕磨損機理，預(yù)測微觀表面的失效時間。研究微觀表面的成形工藝，用以指導(dǎo)過流部件的生產(chǎn)制造。

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

[2]渠時遠(yuǎn).流體機械節(jié)能減排現(xiàn)狀、任務(wù)與對策[J].通用機械,2012(10)：34-36.

[3]三峽大壩.http://baike.baidu.com/view/26251.htm.

[4]郭杰，耿興國，高鵬，等.邊界層控制法減阻技術(shù)研究進展[J].魚雷技術(shù)，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.