湍流減阻技術(shù)綜述

孫怡馨

摘 要：當(dāng)前湍流邊界層減阻技術(shù)受到廣泛關(guān)注，本文針對肋條減阻、聚合物添加劑減阻、壁面振動減阻三種湍流減阻技術(shù)進(jìn)行了綜述，內(nèi)容涉及來源、減阻機(jī)理、影響減阻因素及工程應(yīng)用，同時分析了三種減阻技術(shù)的局限性。此外，對其他減阻技術(shù)和聯(lián)合減阻技術(shù)也進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：湍流邊界層；減阻；減阻機(jī)理

中圖分類號：V211.19 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）03-0040-02

隨著能源消耗的不斷增加，如何有效地節(jié)約能源成為人們追求的目標(biāo)，解決這類問題的途徑之一是在流體機(jī)械表面盡量減小壁面摩擦阻力。在水下運(yùn)動的潛艇摩擦阻力可達(dá)總阻力的70%；在管道運(yùn)輸領(lǐng)域流體運(yùn)動的阻力幾乎全是表面摩擦阻力，由于這些流體機(jī)械所處的流動狀態(tài)大部分為湍流，因此針對湍流減阻技術(shù)的研究意義重大，20世紀(jì)70年代阿拉伯石油禁運(yùn)危機(jī)導(dǎo)致的原油價格上漲更是激起了人們對湍流減阻技術(shù)研究的熱潮。經(jīng)過40多年的發(fā)展，特別是湍流理論的豐富和完善，使得人們對于湍流減阻機(jī)理有了更為清晰的認(rèn)識，部分減阻技術(shù)也進(jìn)入了實(shí)際的工程應(yīng)用階段，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要針對肋條減阻技術(shù)、聚合物添加劑減阻技術(shù)、壁面振動減阻技術(shù)以及其他減阻技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行介紹。

1 肋條減阻技術(shù)

20世紀(jì)60年代之前研究人員普遍認(rèn)為物體表面越光滑，其阻力越小，因此針對減阻的研究工作還集中在如何減少接觸面粗糙程度上。20世紀(jì)70年代美國NASA蘭利研究中心發(fā)現(xiàn)，在光滑表面加工順流向的微小溝槽（肋條）能有效地降低壁面摩擦阻力，研究人員將這種減阻技術(shù)稱為肋條（Riblet）減阻技術(shù)。這一發(fā)現(xiàn)徹底打破了過去的思維方式，肋條的形狀、高度、間距與減阻效果的關(guān)系成為新的研究對象。

壁面附近流向渦的展向運(yùn)動是導(dǎo)致阻力的主要原因之一，肋條可以有效抑制流向渦的生成，從而形成減阻效果。肋條形狀不同，其減阻效果也有較大區(qū)別，最常研究的肋條結(jié)構(gòu)主要有三角形（V形）肋條，扇貝形（U形）肋條、梯形肋條和刀刃形肋條[1]。德國研究人員通過油洞阻力測量實(shí)驗(yàn)表明，具有最佳減阻特性的是刀刃形肋條，可達(dá)到10%的減阻效果。肋條在流場中有順流向和橫流向以及與流向成一定夾角等多種放置方式，研究發(fā)現(xiàn)肋條順流向放置其減阻效果最好，而在肋條與流向的夾角大于30°時，肋條不再具有減阻效果。此外，流場的壓力梯度對肋條減阻效果也有一定影響，相比于零壓梯度，逆壓梯度下肋條表面的減阻效果會有少量提高[2]。

運(yùn)用肋條減阻技術(shù)可以通過僅改變表面壁面形狀就能達(dá)到很好的減阻效果，且不需要消耗額外的能量，因此該技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。國際泳衣品牌Speedo公司生產(chǎn)了具有肋條表面的減阻泳衣，在水下可以達(dá)到3%～5%的減阻效果，證實(shí)了肋條減阻技術(shù)的安全性和可靠性。NASA研究中心通過在飛機(jī)70%的表面貼上肋條薄膜，達(dá)到了3%的減阻效果，相當(dāng)于節(jié)省了3%的飛機(jī)燃油。近年來輪船、多級泵的葉片的外壁，輸油輸氣管的內(nèi)壁都通過粘貼肋條薄膜而獲得了一定的減阻效果。

目前，肋條減阻技術(shù)建立在理論上的研究較少，在實(shí)驗(yàn)測量阻力時會有較大偏差，同時研究模擬的肋條技術(shù)只適用于小區(qū)域、小尺度和簡單邊界層的情況，而投入實(shí)際應(yīng)用時環(huán)境更為復(fù)雜，與研究過程得到的物理現(xiàn)象并不相符。此外，肋條在生產(chǎn)過程中由于尺寸小，精度要求較高，生產(chǎn)周期很長，導(dǎo)致肋條減阻技術(shù)的研究成果無法最大化地得到利用。在未來的研究中應(yīng)致力于完善肋條的形狀、高度、間距的工程設(shè)計準(zhǔn)則，同時加強(qiáng)理論與數(shù)值計算的研究，更精確地計算出適用于肋條減阻技術(shù)的流場環(huán)境，使之能滿足不同的工程要求。

2 聚合物添加劑減阻

1948年Tomas首次發(fā)現(xiàn)在流體中添加微量減阻劑可使湍流邊界層阻力大大降低，1949年第一個減阻劑專利問世。自20世紀(jì)60年代至今對減阻劑的研究已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展。該項(xiàng)減阻技術(shù)主要適用于較長距離的液體輸送系統(tǒng)或液體循環(huán)系統(tǒng)，達(dá)到減少能耗、增大運(yùn)輸量的效果。目前已研發(fā)出的減阻劑可分為兩類：高分子聚合物和某些表面活性劑，其中高分子化合物又分為油溶性和水溶性兩種。研究人員通過水洞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在25℃的流體中添加0.22mmol/L的氯化十六烷基三甲基銨（C16H33N（CH3）3Cl），流動的阻力可減小66%[3]。

聚合物添加劑的共同特點(diǎn)有：（1）分子量一般大于50000才能具有一定減阻效果；（2）分子結(jié)構(gòu)呈直鏈型，且主鏈越長、支鏈越少，減阻效果越好；（3）根據(jù)分子量的分布不同，可分為共聚物和均聚物兩種；（4）與溶劑有很好的兼容性，不改變?nèi)軇┑幕净瘜W(xué)性質(zhì)，不影響溶劑后續(xù)處理工藝；（5）易降解，抗剪切性能差，受溫度影響大。

影響減阻劑減阻效果的因素主要有四點(diǎn)：（1）減阻劑的濃度越大、彈性底層越厚，減阻效果越好；（2）當(dāng)減阻劑濃度一定時，存在一個臨界雷諾數(shù)，在該雷諾數(shù)下減阻效果最佳且隨流速的繼續(xù)增大而降低；（3）流通管道的直徑、壁面粗糙程度、彎曲程度、溫度等因素都會對減阻效果產(chǎn)生影響；（4）減阻劑內(nèi)雜質(zhì)的含量和種類也會影響減阻效果。

減阻劑在管道輸運(yùn)領(lǐng)域有重要的應(yīng)用。在運(yùn)輸?shù)氖椭刑砑由倭繙p阻劑可以在在相同動力下增大運(yùn)輸速度，從而增加運(yùn)輸量，節(jié)省運(yùn)輸成本。中國的石油管道老化嚴(yán)重，添加減阻劑后可以使石油對管道壓力減小，從而提高運(yùn)輸過程的安全性。美國部分地區(qū)為解決大暴雨時排水能力不足的問題，在排水管道上添加減阻劑，增加雨水流速，緩解道路積水。日本在供熱系統(tǒng)熱水輸送領(lǐng)域開展了大量研究工作，證實(shí)在熱力系統(tǒng)中添加減阻劑能有效減少泵耗。

聚合物減阻劑雖然有很好的減阻效果，但是大多數(shù)種類的添加劑生產(chǎn)安全性較低，不便于運(yùn)輸和存儲，同時各種添加劑之間的性能差距較大，不同流體選取不同添加劑時由于眾多不確定因素導(dǎo)致減阻效果偏離預(yù)期值。此外，最終流體經(jīng)過處理后可能仍含有未除凈的添加劑，會影響到流體的使用或危害人體健康。半個世紀(jì)以來這一領(lǐng)域雖然有了許多重大的研究成果，但仍然有理論上的缺陷，例如目前還沒有針對添加劑湍流減阻流動（及換熱）在高雷諾數(shù)下可靠的定量分析方法。因此，實(shí)際應(yīng)用中的干擾因素和理論的不完整共同導(dǎo)致聚合物添加劑在工程應(yīng)用中的局限性。

3 壁面振動減阻

20世紀(jì)90年代研究人員通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，壁面沿流向的展向方向進(jìn)行周期振動可以有效減少湍流邊界層壁面摩擦阻力。該方法是一種主動控制的減阻方法，減阻效果比較明顯，近些年來獲得了研究人員的重視。

壁面進(jìn)行展向運(yùn)動的一般形式為，式中A為振幅，為角速度，t為時間。研究表明，減阻效果依賴于振幅和角速度的組合參數(shù)，即無量綱振動速度，式中，，當(dāng)時，壁面減阻效果最高可達(dá)45%[4]。

對于減阻機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，振動的壁面在邊界層產(chǎn)生的Stokes層抑制了壁面附近流向渦的產(chǎn)生，進(jìn)而減弱了湍流邊界層低速條帶的產(chǎn)生和猝發(fā)，導(dǎo)致壁面附近低速流體與主流中動量交換減小，達(dá)到減阻效果。

壁面展向振動在工程上目前還沒有得到廣泛的應(yīng)用，原因有兩點(diǎn)。（1）對壁面振動減阻的機(jī)理研究不充分，各種壁面展向振動的優(yōu)化控制方法仍需進(jìn)一步研究；（2）該方法需要壁面處于運(yùn)動狀態(tài)，對裝置結(jié)構(gòu)要求較高，限制了它的實(shí)際應(yīng)用。

4 其他減阻技術(shù)

一些學(xué)者還對其他減阻技術(shù)進(jìn)行了研究，主要包括微氣泡減阻技術(shù)、柔順壁減阻技術(shù)、納米減阻技術(shù)等。微氣泡減阻技術(shù)是指利用空氣與壁面摩擦阻力小來達(dá)到減阻目的。柔順壁減阻技術(shù)是指在固體避免上覆蓋一層具有半滲透性的彈性薄膜使得邊界層剪切力減小，壁面阻力減小。納米技術(shù)減阻是指利用納米材料的輸水（油）特性減小壁面與流體之間的粘附作用，從而達(dá)到減阻效果。

此外，由于各種技術(shù)的減阻效果有限，研究人員開始對多種減阻方法聯(lián)合使用進(jìn)行研究。主要包括肋條與微氣泡聯(lián)合減阻和肋條與聚合物添加劑聯(lián)合減阻等。實(shí)驗(yàn)表明肋條與聚合物添加劑聯(lián)合減阻能夠使流動阻力減小74%。肋條與微氣泡聯(lián)合減阻可以使氣泡層所需的空氣量大大減少并同時增強(qiáng)減阻效果。

5 結(jié)語

當(dāng)前節(jié)約能源受到人們廣泛關(guān)注，使得湍流減阻技術(shù)得到越來越多的研究和應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展空間。本文主要從來源、減阻效果、影響減阻效果因素、工程應(yīng)用等幾方面介紹了肋條減阻、聚合物添加劑減阻和壁面振動減阻三種湍流減阻技術(shù)，同時分析了三種減阻技術(shù)的局限性。此外，針對其他減阻技術(shù)及聯(lián)合減阻技術(shù)進(jìn)行簡單論述。由于目前針對湍流的研究仍然不能滿足工程應(yīng)用的需要，因此隨著湍流理論的發(fā)展，未來針對各種湍流減阻技術(shù)的減阻機(jī)理及其應(yīng)用仍需要進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]劉德俊，于洋，王國付，等.三種形狀肋條減阻特性與機(jī)理研究[J].工程熱物理學(xué)報，2016，（7）：1411-1415.

[2]許超，汪靜，劉婭琛，等.仿生溝槽減阻技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)展[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報，2009，（S1）：235-237.

[3]Huang C， Liu D， Wei J. Experimental study on drag reduction performance of surfactant flow in longitudinal grooved channels[J].Chemical Engineering Science， 2016，（152）：267-279.

[4]黃樂萍.壁湍流的展向運(yùn)動減阻機(jī)理研究[D].南京理工大學(xué)，2012.