彭梓航

(中國人民大學(xué)附屬中學(xué),北京 100080)

降低流體機(jī)械表面摩擦阻力,一直是流體力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),同時(shí)也是一個(gè)具有重要經(jīng)濟(jì)利益的工程問題。以普通商用飛機(jī)為例,每降低1%的表面摩擦阻力,其有效負(fù)載可提升5～10%,可在節(jié)省燃料的同時(shí)提高飛機(jī)的運(yùn)輸效率。由于流體機(jī)械中大多數(shù)流體的流動(dòng)處于湍流狀態(tài),為此,研究人員嘗試并研究了大量湍流邊界層減阻方法,如聚合物添加劑減阻,仿生減阻,壁面周期震動(dòng)減阻等,其中,上世紀(jì)70年代美國NASA研究中心發(fā)現(xiàn),仿鯊魚皮的肋條(Riblet)結(jié)構(gòu)在湍流狀態(tài)下能夠有效的減小壁面摩擦阻力,由于該方法不需要額外的能量損耗且結(jié)構(gòu)簡單,被認(rèn)為是最具應(yīng)用潛力的湍流減阻方法。本文從影響肋條減阻的因素、減阻機(jī)理及工程應(yīng)用三方面介紹肋條湍流減阻技術(shù)的最新進(jìn)展。

1 影響減阻因素

1.1 肋條幾何形狀

肋條的幾何形狀不同,其減阻效果有很大區(qū)別。在肋條減阻技術(shù)研究初期,三角形(V形)、梯形、扇貝形(U形)及刀刃形結(jié)構(gòu)肋條是最常研究的幾種肋條(如圖1所示)。Bechert通過一系列精確的油洞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),刀刃型肋條的減阻效果最好,在h/s=0.5,t/s=0.02的情況下(其中s為相鄰肋條寬度,h為肋條高度,t為肋尖厚度),相比于光滑平板,其最大減阻可達(dá)9.9%。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn),肋尖厚度t對(duì)減阻效果的影響很大,t越大,會(huì)導(dǎo)致減阻效果顯著下降。近年來,研究人員針對(duì)復(fù)雜形狀的肋條做了很多研究工作,Sasamori通過對(duì)沿流向呈正弦型變化的刀刃肋條的研究發(fā)現(xiàn),其減阻效果最大可達(dá)11.7%。Luo通過研究鯊魚皮形狀的三維肋條發(fā)現(xiàn),在肋條處于不同的來流迎角下,其最大減阻效率可達(dá)12%[1]。隨著加工工藝的進(jìn)步,一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀的肋條也在逐漸進(jìn)行相關(guān)的研究分析。

圖1 三角形肋條示意圖

1.2 肋條布置方式

肋條在流場當(dāng)中有順流向布置,垂直流向布置以及與流向成一定夾角布置等多種布置方式,通過對(duì)三角形肋條的研究發(fā)現(xiàn),順流向的布置方式肋條的減阻效果最好,隨著肋條與流向的夾角增大,其減阻效果逐漸減小,在肋條與流向的夾角成30°以上時(shí),肋條不具有減阻效果。

1.3 流場壓力梯度

流體機(jī)械表面的壓力梯度在流體中總是在不斷變化,因此,研究流場壓力梯度對(duì)肋條減阻效果的影響具有重要意義[2]。葉建,鄒正平[3]通過大渦模擬發(fā)現(xiàn)逆壓梯度下減阻效果相比零壓梯度下有少量提高。錢鳳超[4]發(fā)現(xiàn)逆壓梯度下不規(guī)則肋條表面的減阻效果相比于零壓梯度下提高了6%～7%。

圖2 (a)“二次渦群論”示意圖

圖2 (b)“突出高度論”示意圖

2 減阻機(jī)理

為了解釋肋條減阻的原因,研究人員針對(duì)肋條減阻的機(jī)理從不同的角度進(jìn)行了研究。“子層增厚論”認(rèn)為,肋條的存在減小了壁面附近湍流邊界層內(nèi)的速度梯度,使得湍流邊界層黏性子層增厚,肋條被淹沒在黏性子層中,壁面附近流體的剪切力減小,壁面摩擦阻力減小?！岸螠u群論”認(rèn)為,肋條的肋尖與壁面附近的流向渦相互作用,在肋尖兩側(cè)形成了一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)的二次渦,二次渦的存在減弱了湍流邊界層低速條帶的生成,同時(shí)抑制了流體流動(dòng)的不穩(wěn)定性,使得邊界層中猝發(fā)事件發(fā)生的頻率減小,導(dǎo)致壁面低速流體和主流高速流體之間動(dòng)量交換減小,形成減阻效果(如圖2(a)所示)[5]“。突出高度論”認(rèn)為,肋條表面流向等效虛擬原點(diǎn)和展向等效原點(diǎn)處于不同高度,造成肋條流向的突出高度hpl大于展向的突出高度hpc,當(dāng)兩者的差值Δh=hpl-hpc＞0時(shí),就會(huì)抑制流體的展向運(yùn)動(dòng),使得壁面摩擦阻力減小(如圖2(b)所示)[6]。近年來,一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn),沿展向周期性振動(dòng)的壁面在湍流邊界層中也具有一定的減阻效果,同時(shí)對(duì)肋條的研究發(fā)現(xiàn),在減阻的情況下,肋條壁面附近出現(xiàn)了展向的“Rollers”,因此他們認(rèn)為流體的展向運(yùn)動(dòng)并不是造成壁面阻力的主要原因。

從上面論述可以看出,前人的研究工作讓人們對(duì)肋條的減阻機(jī)理有了非常豐富的認(rèn)識(shí),但是由于肋條減阻涉及的是湍流運(yùn)動(dòng),而湍流運(yùn)動(dòng)當(dāng)中湍流的形成及維持等相關(guān)理論仍需不清楚,所以目前對(duì)于肋條湍流減阻的機(jī)理沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。

3 工程應(yīng)用

由于肋條減阻技術(shù)是一種被動(dòng)的湍流減阻技術(shù),僅僅需要改變壁面形狀就可以達(dá)到較好的減阻效果,且不需要消耗額外的能量,實(shí)際操作性強(qiáng),因此現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了工程應(yīng)用階段。3 M公司在乙烯薄膜上加工出微米級(jí)別的三角形肋條薄膜vinyl-film,可通過貼膜方式應(yīng)用到管道、船體以及飛機(jī)表面等。NASA研究中心和德國宇航中心最早開始將3 M公司制造的肋條薄膜應(yīng)用在波音公司和空中客車的飛機(jī)上,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。同時(shí)肋條減阻技術(shù)在競技體育中也具有廣泛應(yīng)用,如游泳、劃船等項(xiàng)目,20世紀(jì)90年代美洲杯帆船比賽中一艘劃艇底部被加工成了肋條結(jié)構(gòu),在當(dāng)時(shí)引起了公眾的關(guān)注。美國Speedo公司生產(chǎn)了具有肋條表面的“Fastskin”泳衣,與其他泳衣相比,該泳衣在水下可以達(dá)到3%～5%的減阻效果,2000年悉尼奧運(yùn)會(huì)美國游泳選手Ian身穿“Fastskin”泳衣一舉奪得三枚金牌,使得肋條減阻技術(shù)受到了人們的追捧,其工程應(yīng)用也進(jìn)入了快速發(fā)展階段。在流體運(yùn)輸領(lǐng)域,K S B公司通過在多級(jí)泵的葉片上加工具有一定形狀的肋條結(jié)構(gòu)后,泵的運(yùn)輸效率提高了1.5%[7]。德國研究人員通過在16km的天然氣管道內(nèi)表面加工肋條結(jié)構(gòu),達(dá)到了一定的減阻效果。

4 問題與展望

隨著湍流理論的發(fā)展,肋條減阻技術(shù)的機(jī)理研究及工程應(yīng)用取得了突破性的發(fā)展,未來具有廣闊的應(yīng)用前景,但也存在不少問題有待解決。首先,由于肋條尺寸較小,給數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測量帶來一定困難,相關(guān)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)方法需要不斷改進(jìn)。其次,對(duì)于不同形狀結(jié)構(gòu)肋條的減阻規(guī)律目前并沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí),造成在肋條設(shè)計(jì)過程中沒有一個(gè)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,這方面仍需進(jìn)行進(jìn)一步的理論研究。此外,肋條在實(shí)際應(yīng)用中由于外界環(huán)境影響會(huì)造成減阻效果下降,可考慮肋條和其他湍流減阻技術(shù)如聚合物添加劑減阻技術(shù),微氣泡減阻技術(shù)相結(jié)合的減阻方法來增強(qiáng)整體的減阻效果,提高肋條減阻技術(shù)的實(shí)用性。

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