沟槽壁面减阻机理实验研究
鲨鱼沟槽表皮减阻机理
鲨鱼沟槽表皮减阻机理
鲨鱼的沟槽表皮减阻机理被认为是一种生物适应策略，能够降低水流阻力，使鲨鱼游动更加高效。
鲨鱼沟槽表皮的减阻机理主要有以下几个方面：
1. 沟槽形态：鲨鱼的皮肤上存在一系列纵向排列的沟槽，这些沟槽的形状和布局有助于将水流引导到沟槽之间，形成细小的旋涡，降低水流的触碰表面积，减少阻力。
2. 沟槽表面纹理：鲨鱼沟槽的表面通常覆盖有一层细小的鳞片，这些鳞片表面存在微小的皱褶和凹陷结构。
这种纹理能够改变水流的流动性质，形成一个类似于液体上的“空气垫”，使水分子流动过程中形成一种螺旋状的涡流，减少阻力。
3. 汗腺：鲨鱼沟槽中还存在一些分泌液的汗腺，这些汗腺可以分泌一种黏稠的物质，形成一层细薄的液体薄膜，进一步降低水流与鲨鱼表面的摩擦力，减少阻力。
通过这些机制，鲨鱼能够减少水流与其表面之间的摩擦阻力，提高游动速度和游泳效率，使其在水中的运动更加灵活和迅速。
沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展_王树立.
文章编号 :1000-2634(2008 01-0146-05沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展 *王树立 , 史小军 , 赵书华 , 刘强 , 王海秀(江苏省油气储运技术重点实验室 ·江苏工业学院 , 江苏常州 213016摘要 :针对长输管道中存在的能源消耗问题 , 分别从湍流边界层流动特性、拟序结构、条带结构、转捩等方面归纳了沟槽面湍流减阻的国内外研究现状 , 讨论了沟槽的几何形状和尺度、流场压力梯度、沟槽面放置方式对沟槽减阻效能的影响。
对沟槽面的减阻机理进行了综述 , 分析了存在的问题。
指出需要利用先进的实验技术如 P I V 等图像处理手段 , 并结合计算流体力学软件对湍流边界层的瞬时流场进行研究 , 以找出沟槽面湍流减阻的机理。
数值模拟了在平板中部横向布置的下凹沟槽的流场情况 , 得到了一种小涡流动结构 , 同时验证了这种结构在减阻中的作用 , 阐述了对减阻的另一种认识 , 并对沟槽面湍流减阻技术及其工业利用进行了展望。
关键词 :沟槽面 ; 湍流减阻 ; 拟序结构 ; 条带结构 ; P h o e n i c s ; 流场中图分类号 :TE 89文献标识码 :A随着全球能源消耗的不断上升 , 人们越来越认真考虑如何有效地利用和保护能源 , 探求节约能源的新方法和新技术 , 其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中 , 尽量减少表面摩擦阻力。
常规的飞机和舰船 , 其表面摩阻约占总阻力的 50%;在水下运动的潜艇 , 这个比例可达到 70%;而在长输管道中 , 泵站的动力几乎全部用于克服表面摩擦阻力。
在这些运输工具表面的大部分区域 , 流动都处于湍流状态 , 所以研究湍流边界层减阻意义重大 , 这已被N A S A 列为 21世纪的航空关键技术之一。
有关减阻的研究可追溯到 20世纪 30年代 , 但直到 60年代中期 , 研究工作主要集中在减小表面粗糙度上 , 隐含的假设是光滑表面的阻力最小。
槽道湍流壁面展向周期振动减阻机理研究
南 京理 工大 学学 报 （ 自然 科学版 ）
Ｊｕｎｌ ｆ ａｊ ｇＵ ｉ ｒｉ ｆ ｃ ｎｅａ ｄＴ ｃｎ ｌ ｙ（ ａ ｒｌ ｃ ｎ ｅ ｏｒａ ｏ ｎｉ ｎｖ ｓ ｙｏ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ Ｎ ｔ ａ Ｓｉ ｃ ） Ｎ ｎ ｅ ｔ Ｓｅ ｏ ｕ ｅ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｉ ｒ ｅ ｏ ｓ ｐ ｒ ｓ ｅ ｒｗａｌｔ ｒ ｕ ｅ ｃ ｎ ｅ ｕ ｅ ｓ ｉ ｆ ｃ ｉｎ ｄ ａ ｔ ａ ｔ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｕ ｐ ｅ ｓ ｎ ａ — ｌ ｕ ｂ ｌ ｎ ｅ ａ ｄ ｒ ｄ ｃ ｋ ｎ—ｒ ｔｏ ｒ ｇ，ｔ ｅ ｍｅ ｈａ ｉｍｓ ｉ ｈ ｃ ｎｓ ｏ ｕ ｂｕ ｅ ｃ ｕｐ ｒ ｓ ｉｎ ａ ｒ ｇ ｒ ｄｕ ｔｏ ｕｅ ｔ ｐ ｎ ｓ ｗａｌ ｏ ｃｌａ ｉｎ ｉ ｕ ｂ ｌｎｔｃ ａ ｅ ｆｔ ｒ ｌｎ ｅ ｓ ｐ ｅ ｓｏ ｎｄ ｄ ａ ｅ ｃｉ ｎ ｄ ｏ ｓ ａ ｗｉｅ ｌ ｓ ｉ ｔｏ ｎ ｔ ｒ ｕ ｅ ｈ ｎｎ ｌ ｌ
ｓ ｅ ｔａ ｅｈｏ Ｔｈ ａａ ａ ｅ ｏ ｕ ｂｕ ｅ ｔｃ ａ ｎｅ ｏ ｉ ｒ ｄ ｅ ｙ ＤＮＳ． Ｔｈ ｒｃ ｉｎ ｄ ａ ａ ｐ ｃ ｒ ｌｍ ｔ ｄ． ｅ ｄ ｔ ｂ ｓ ｆｔ ｒ ｌｎ ｈ ｎ ｌｆ ｗ ｓｐ ｏ ｕｃ ｄ ｂ ｌ ｅ ｆｉｔｏ ｒ ｇ ｃ ｎ
ｌ ｒ ｎ ｅｔ ａ ｙ ｄ ｅｔ ｕ ｒ ａ ｉ ａ ｏ （ Ｎ ）ｂｓｄ ｏ ｔ ｄ ｒ ｏ ｒ ｒ ｅｙｈ ｖ ｆ ｗ ａｅｉｖ ｓｇｔｄ ｂ ｉ ｃ ｎ ｍｅｉ ｌｓ ｌ ｉｎ Ｄ Ｓ ａｅ ｎ ｓ ｎ ａｄ Ｆ ｕ ｅ－ｈ ｂ ｓｅ ｏ ｉ ｅ ｒ ｃ ｍｕ ｔ ａ ｉ Ｃ
关键词 ： 道 流 ； 湍 流 ； 面展 向周 期振 动 ； 阻 ； 方 法 ； 槽 壁 壁 减 谱 直接 数值 模 拟 中 图分 类 号 ： ５ ． Ｏ３ ７５ 文 章编 号 ：０ ５— ８ ０ ２ １ ） ３— ３ １— ６ １０ ９ ３ （ ０ ０ ０ ０ ６ ０
壁面微沟槽减阻技术研究进展
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李茂林等壁面微沟槽减阻技术研究进展
第 01 卷!第 )( 期
图 带有槽峰圆角的三角形微沟槽结构
2流场压力梯度 微沟槽减阻的影响主要位于近壁处距离壁面
较远的流场很少因微沟槽发生变化 受周围流体流 速的影响在机翼外侧管道内壁等近壁处的压力梯 度并不是固定的这使得近壁处湍流不稳定性增加
微沟槽减阻技术起源于人们对鲨鱼表皮的仿生 研究- 鲨鱼游速最快可达 .( 89:;除了强有力 的尾鳍外有学者发现其表皮布满沿游动方向排列
的微小沟槽结构见图 ) 微小沟槽的存在减小了 鲨鱼表皮与海水的摩擦力配合尾鳍实现高速游动 基于该仿生学现象<=>?;)( 设计了多种形状微沟 槽并将其布置于平板上进行减阻实验发现流体顺 流经过微沟槽平板表面会起到减小壁面阻力的效 果且三角形微沟槽可达到 67的最大减阻率打破 了认为光滑表面阻力最小的传统认知
!沟槽排布方式 微沟槽的排布方式可分为纵向排布横向排布 目前大部分研究都是针对纵向微沟槽横向微沟槽 的研究相对较少 "H;E>>L等人'. 将平板表面加工 成横向微沟槽壁面使流体的传输速度相较于光滑 壁面平板提高了 )7并指出横向微沟槽的耐用性 好可满足长期使用要求 攸连庆'6 使用压差测阻 法测试了不同流速下多种尺寸的纵向微沟槽横向 微沟槽的减阻率通过对比发现流速小于 '20 9:? 时纵向微沟槽减阻效果明显好于横向微沟槽前者 减阻率可达 )(7左右 继续增大流速纵向微沟槽 减阻率迅速下降而横向微沟槽则表现出了一定减 阻稳定性且减阻率变化幅度比较小更适合在流速 变化范围较大的工况下使用 汪志远等人'- 建立 了一种仿鲨鱼皮波纹状 双向 微沟槽 结构见图 1 在雷诺数 . ((( J)3 ((( 范围内减阻率达到了同 尺寸纵向微沟槽的 ' 倍多双向微沟槽兼具了纵向 微沟槽与横向微沟槽的特征拥有更强的减阻能力 总体而言纵向微沟槽减阻能力强于横向微沟槽但 稳定性不及横向微沟槽 双向微沟槽作为纵向微沟 槽与横向微沟槽的结合体减阻效果最佳但实际加 工难度高 !沟槽间隔 除刀刃形微沟槽外其他形状沟槽布置时均有 连续与间隔之分间隔三角形微沟槽结构见图 0 李新华等人1( 利用低速风洞测量了连续及间隔三
沟槽面湍流减阻数值评估方法研究_周健
引用格式：ZHOU J, OU P, LIU P Q,et al. Study of Numerical Evaluation on Turbulence Drag Reduction with Riblets[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2016,xx(x):xxx-xxx.周健，欧平，刘沛清，等．沟槽面湍流减阻数值评估方法研究[J]．航空 学报, 2016, xx(x): xxx-xxx.
[17]
T *
k
(1)
k 方程：
dU d k dk 0 T *k ( * ) dy dy dy
2
(2)
方程：
dU d k d dk d 0 T 02 ( * ) d k dy dy dy dy dy
自从 20世纪 70 年代 NASA兰利研究中心发现 具有顺流向微小沟槽的表面能有效地降低壁面摩 阻，突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式 以后，沟槽面减阻一直是湍流减阻技术中的研究 焦点。 Walsh 等最先开展了平板沟槽面湍流减阻 [1-4] 的研究 ，天平测力结果表明最佳的减阻构型 是一种对称 V型沟槽面，当其高度 h和间距 s 的无 量纲尺寸h +25和 s+30时具有减阻特性，减阻效 果最佳时沟槽面的尺寸为h+ =s+ =15。对于压力梯 度影响的研究，Debisschop和Nieuwstadt[5]研究了 逆压梯度对平板沟槽面的影响，得到了13% 的减 阻 效 果， 比相 应的 零 压梯 度情 形多 减 阻 7% ； Sundaram等[6]对0 ~6攻角NACA0012 翼型的沟槽 面减阻研究表明，减阻效果随攻角的增加而增 加，最大减阻值达 到 13% 。对于亚音速 流动，
槽道流壁面展向周期振动减阻的一维谱分析
收稿日期: 2008 11 17; 修回日期: 2008 12 23
17 78
宇航学报
第 30卷
的结果, 一定流场条件下由某一机理起主导作用。
1 物理问题及数值方法
以槽道中充分发展的壁湍流为研究对象, 其控
制方程
u+ u u = - p+ 2u
( 1)
t
u= 0
( 2)
边界条件为
uw+ = ( 0, 0, 0)T
uw- = ( 0, 0, W )T
( 3)
式中, u 为速度矢量, p 为压强, 为运动粘性系数。
上标 T 表示转置, 下标 w 表示上下壁面。上
壁面保持静止, 下壁面做展向振动, 其运动速度为
W = A sin( 2 t /T )
( 4)
式中 A 为振幅, T 为振动周期, t为时间。
利用 Fourier Chebyshev谱方法, 离散上述方程,
上一节的分析表明, 壁面展向周期振动减阻后, 湍流脉动能普遍下降, 无论是流向还是展向速度脉动 都受到了很大的抑制。但是, 对应图 2给出的阻力下 降的三个特征时段, 相关物理量的谱所呈现出的变化 规律是不尽相同的。为进一步考察这一变化规律, 本 节讨论了三个特征时段拟涡能谱的变化特点。
17 80
能量从时间尺度大的脉动向时间 尺度小的脉动传输。分析了阻力变化周期中三个特 征时段拟涡 能谱的变化 规律, 发现总涡能在得到不同程度抑制 的同时, 具有不同的 变化特 征。结合近 壁湍流 拟序结 构的变 化规律, 进一 步揭示 了壁面展向周期振动减 阻的内在机理。
关键词: 湍流; 直接数值模拟; 展向壁面振动 ; 减阻; 谱分析
图 7 低波数端总涡量随 kz 变化的展向能谱, y+ = 5. 36 F ig. 7 Ene rgy spectra of tota l vo rtic ity versuskz aty+ = 5. 36
“仿生学”沟槽减阻仿真分析及机理研究
第47卷第2期2021年4月航空发动机AeroengineVol.47No.2Apr.2021“仿生学”沟槽减阻仿真分析及机理研究陈璠1，徐朋飞2（1.中国航空发动机研究院，北京101300；2.中国航发沈阳发动机研究所，沈阳110015）摘要：“仿生学”沟槽结构在航空发动机叶片减阻和燃滑油系统减阻等领域有潜在的应用前景。
为获得该结构构型参数和雷诺数对减阻效果的影响规律，通过对鲨鱼及海豚表皮特征进行仿生设计了横向和纵向沟槽，利用数值模拟方法对不同沟槽构型在不同雷诺数下的减阻效果开展了对比研究和机理分析。
结果表明：横向和纵向沟槽构型减阻率均随雷诺数增大而减小，并且雷诺数影响占主导地位。
对于横向沟槽构型，沟槽间距较大的构型沿程阻力占主导，在相对高雷诺数下减阻效果较好；沟槽数量较多的构型局部阻力占主导，在相对低雷诺数下减阻效果较好；无间距构型在相对低雷诺数下减阻效果最好，减阻率约为4.14%。
对于纵向沟槽构型，减阻率比横向沟槽的高约1个百分点，雷诺数对减阻效果影响不大。
关键词：沟槽；减阻率；仿生学；局部阻力；沿程阻力；雷诺数；航空发动机中图分类号：V211文献标识码：Adoi ：10.13477/ki.aeroengine.2021.02.005Simulation Analysis and Mechanism Study on Drag Reduction of “Bionics ”GrooveCHEN Fan 1，XU Peng-fei 2（1.Aero Engine Academy of China ，Beijing 101300，China ；2.AECC Shenyang Engine Research Institute ，Shenyang 110015，China ）Abstract ："Bionics"groove structure has potential application prospect in fields of aeroengine blades drag reduction and fuel /oil system drag reduction.In order to obtain the structure configuration parameters and the influence of the Reynolds number on the drag reduction ，transverse and longitudinal grooves were designed with the bionics of the skin characteristics of sharks and parative study and mechanism analysis of drag reduction effect were carried out for different groove configuration by numerical simulation method under different Reynolds number.The results show that the drag reduction rates of both transverse and longitudinalgrooves configuration decrease with the increase of Reynolds number ，and the influence of Reynolds number is dominant.For the transverse groove with larger groove gap ，the resistance loss along the way is dominant ，and the drag reduction effect is better at relatively high Reynolds number.The local drag is dominant with more grooves ，and the drag reduction effect is better at relatively low Reynoldsnumber.The drag reduction effect of the no gap configuration is the best at relatively low Reynolds number ，and the drag reduction rate is about 4.14%.For the longitudinal groove configuration ，the drag reduction rate is about 1%higher than that of the transverse groove configuration ，and Reynolds number has little effect on the drag reduction.Key words ：groove ；drag reduction rate ；bionics ；local resistance loss ；resistance loss along the way ；Reynolds number ；aeroengine收稿日期：2019-04-15基金项目：航空动力基础研究项目资助作者简介：陈璠（1991），男，硕士，工程师，主要从事航空发动机仿真技术研究工作；E-mail ：****************。
微沟槽减阻技术研究现状与进展综述
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) /2 超疏 水壁 面* /- 柔 性 壁 面)( /)' '( 世 纪 .( 年 代 末 期6%"%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 .(7的 表 面 贴 上 脊 状 薄 膜 后 可 以 省 油 )7 8 '7)0 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)3 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)2 马付良等)* 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
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图 不同通气流量下微沟槽壁面处的气膜层图像
1数值模拟方法研究微沟槽减阻技术 !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02 用有限体积法分别 对三角形扇贝形和刀刃形 0 种形状的微沟槽进行 了数值模拟0 种形状的微沟槽见图 3 在保证 0 种 形状微沟槽表面的特征尺寸顶点间距 微沟槽顶 端到沟谷高度 均相同的前提下分析了 0 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
壁面展向周期振动减阻机理及其二维波谱分析
壁面展 向周期振动减 阻机理 及 其 二 维 波谱 分 析
黄 乐 萍 ，范 宝春 ，董 刚
（ 京 理 工大 学 瞬 态 物 理 实验 室 ， 京 ２０ ９ ） 南 南 １０ ４
摘 要 ： 用 直 接数 值模 拟 （ Ｎ ） 壁 面 作展 向周 期 运 动 的 槽 道 湍 流 进行 研究 ， 立 了槽 道 湍 流 数 据 库 。 通 过改 利 Ｄ Ｓ对 建
Ａｂｔａ ｔ Ａ ｔｒｕｅ ｔ ｈ ｎ ｅ ｆ ｗ ｓｂｅｔｄｔ ｓａ ｗ ｓ ｗ ｌｏｃｌ ｔ ｎｉ ｉｖｓ ｇｔｄｂ ｉ ｃ ｎ ｍ ｒ ｓｒｃ ： ｂ ｌｎ ａ ｎ ｌ ｏ ｕｊｃ ｐ ｎ ｉ ａ ｓｉａ ｏ ｅｔ ａ ｙｄｒ ｔ ｕ ｅ － ｕ ｃ ｌ ｅ ｏ ｅ ｌ ｌ ｉ ｓｎ ｉ ｅ ｅ ｉ ｃｌ ｉ ｕａ ｏ Ｄ Ｓ． ｈ ａ ｂ ｓ ｆ ｕｂ ｌ ｔ ｈ ｎ ｅ ｆ ｗ ｉ ｐｏｕ ｅ ｙＤ Ｓ Ｔ ｅｆ ｃ ｏ ｒｇｃｎｂ ａ ｓ ｌｔ ｎ（Ｎ ）Ｔ ｅ ｔ ａｅｏ ｒｕｅ ａｎ ｌ ｏ ｒｄ ｃｄｂ Ｎ ． ｈ ｔ ｎｄａ ａ ｅ ｍ ｉ ｄａ ｔ ｎｃ ｌ ｓ ｉ ｒ ｉ
鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究
鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究
鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究
通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理.针对沟槽表面流场的特点,在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理,并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真.仿真结果表明,沟槽表面与顺流的"反向旋转涡对"相互作用,产生"二次涡",削弱了"反向旋转涡对"的.强度,进而抑制了低速条带的形成和发展,从而降低湍流猝发强度,实现湍流减阻.
作者：胡海豹宋保维潘光毛昭勇杜晓旭 HU Hai-bao SONG Bao-wei PAN Guang MAO Zhao-yong DU Xiao-xu 作者单位：西北工业大学航海学院,西安,710072 刊名：系统仿真学报 ISTIC PKU 英文刊名：JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION 年，卷(期)：2007 19(21) 分类号：O335.3 关键词：沟槽表面数值仿真减阻 "二次涡" "反向旋转涡对"。
沟槽型面减阻特性数值模拟研究
沟槽型面减阻特性数值模拟研究
沟槽型面减阻特性数值模拟研究
基于人工压缩性方法,时间项采用隐式离散、对流项采用基于Roe 近似Riemann解的迎风格式,研究了三维不可压粘性流动的数值模拟方法,湍流模型采用Baldwin-Barth一方程模型,利用所发展的不可压粘性流数值模拟方法,对典型几类V型、间隔三角型和U型沟槽型面的不可压粘性流场进行了数值模拟计算研究,探索了上述几类沟槽型面参数对湍流减阻特性的影响规律,从表面摩阻、速度场等方面分析了上述几类沟槽型面的减阻作用机理.研究结果表明:上述典型沟槽的减阻效果可以分别达到7.6%,10.5%和5.0%,与国内外相关实验结果符合一致,所发展的计算方法是成功的、可行的.
作者：余雷杨旭东 YU Lei YANG Xu-dong 作者单位：西北工业大学,航空学院,陕西,西安,710072 刊名：航空计算技术ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL COMPUTING TECHNIQUE 年，卷(期)：2009 39(1) 分类号：V211.3 关键词：沟槽面减阻湍流人工压缩性方法。
沟槽面湍流减阻数值评估方法
沟槽面湍流减阻数值评估方法
沟槽面的湍流是由流体滑移冷板的两个抵消流体而产生的，在某些汽车动力性能模拟
中常常可以看到。
由于沟槽和湍流的存在，流体再渠槽中的空气阻力会随着空气的增加而
增加，这将会影响汽车的性能。
因此，有必要通过数值模拟来评估沟槽面湍流减阻的程度。
大多数沟槽形状都非常复杂，模拟起来非常困难，也不能真实反映沟槽环境的湍流减
阻现象。
为了处理这个问题，研究人员提出了一种用数值方法评估沟槽面湍流减阻的方法，即利用计算机模拟程序（CFX）进行数值模拟。
首先，需要通过流固耦合的数值模拟，分
析出流体在沟槽环境中的变化。
其次，通过流固耦合数值法，求解出流体湍流斯蒂芬斯
减阻系数。
最后，利用湍流斯蒂芬斯减阻系数测定出沟槽湍流减阻系数，从而确定出沟
槽环境的减阻情况。
为了验证沟槽面湍流减阻数值评估方法的有效性，研究人员还进行了实验验证，结果
表明，该方法可以较准确的模拟沟槽环境的湍流减阻情况，即用数值模拟法预测的沟槽环
湍流斯蒂芬斯减阻系数与实验结果比较接近。
研究结果表明，沟槽面湍流减阻数值评估法
是一种有效的模拟方法，可以用来预测沟槽环境的湍流减阻情况。
总之，沟槽面湍流减阻数值评估方法是一种有效的模拟方法，可以用来估算沟槽环境
的湍流减阻情况。
在发动机设计、汽车性能模拟及汽车外形设计中，沟槽面湍流减阻数值
评估方法都可以起到重要作用，可以有效缩短设计时间，提高设计质量。
表面减阻技术的研究和应用
表面减阻技术的研究和应用随着科技的发展，人类对于物质的认识逐渐加深，表面减阻技术在研究和应用方面也有了重大突破。
表面减阻技术是指通过改变物体表面的形状、化学性质或增加表面涂层等多种方式，使流体在其表面上的阻力降低，从而实现减阻的效果。
表面减阻技术不仅在船舶、飞机等交通工具上具有应用价值，还可以在液体输送、医疗器械、工业加工等方面发挥重要作用。
一、表面减阻技术的研究表面减阻技术的研究主要围绕着降低摩擦阻力、减少表面粘附和阻尼、减少流体交换的耗散能量等方面展开。
研究人员通过改变物体表面的微结构、化学成分、涂层材料等方面，探索出了多种实现减阻效果的技术。
1. 微米层级的表面结构研究人员通过微米级别的表面结构设计，实现对流体分子行为的调控，进而达到减阻的效果。
这种表面减阻技术可分为粗糙表面减阻和细微尺度表面减阻两种类型。
在粗糙表面减阻中，通过增加物体表面的粗糙程度，使流体与表面接触面积增加，流速减慢后导致压力降低，从而达到降低摩擦阻力的效果。
在细微尺度表面减阻中，研究人员通过将物体表面设计成微米级别的沟槽、锯齿等形状，使流体在表面上的滑动变得更加平稳，减少了摩擦力和粘附力，最终实现了减阻效果。
2. 涂层技术涂层技术是指在物体表面覆盖具有减阻效果的特殊材料，通过改变表面化学性质和形貌，减少物体与周围流体之间的摩擦和粘附。
目前，市场上常见的涂层材料有聚合物、石墨烯、二氧化硅、液晶聚合物等。
聚合物涂层技术可以在物体表面形成一层连续、致密的涂层薄膜，减少了表面化学反应和分子吸附能量，从而达到减小表面涡流的效果。
石墨烯具有独特的二维结构，表面平整、硬度高、导电性能强等优点，由其制成的纳米涂层能够降低壁面摩擦和阻力，大幅度提高流体传输效率。
二氧化硅涂层技术具有表面活性好、润滑性强等特点，通过在物体表面形成一层二氧化硅薄膜，提高了表面的润滑性和耐腐蚀性能，从而达到实现减阻的效果。
二、表面减阻技术的应用表面减阻技术的应用范围十分广泛，不仅在船舶、飞机等交通工具上可以应用，还可以在液体输送、医疗器械、工业加工等方面发挥重要作用。
沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究
A辑第20卷第1期水动力学研究与进展Ser.A,Vol.20,No.12005年1月J OU RNAL OF H YDROD YNAM ICS J an.,2005文章编号:100024874(20050120101205沟槽面管道湍流减阻的数值模拟研究3黄德斌,邓先和,王杨君(华南理工大学教育部传热强化与过程节能重点实验室,广州510640摘要:采用标准k2ε模型,通过数值计算考察了两种沟槽面管道湍流减阻性能,包括不同的沟槽深度、沟槽间距以及零压梯度和逆压梯度的阻力性能,获得最大11%的减阻效果,并对其进行了实验验证;探讨了沟槽面的减阻机理,分析结果与沟槽面平板湍流减阻的结果较一致。
关键词:数值模拟;沟槽面;减阻中图分类号:TV134文献标识码:ANumerical simulation study of turbulent drag reductionover ribelt surfaces of tubesHU AN G De2bin, D EN G Xian2he,WAN G Yang2jun(Chem.Eng.Res.Inst.of Sout h China U niversity of Tech.Guangzho u510640,ChinaAbstract:Characteristics of turbulent drag redution over two ribelt surfaces of tubes are numerically studied using the standard k2εturbulence model,include differentribelt depth,space and pressure gradient.The efficiency of drag reduction a2 bout11%has been gotten.The mechanism of turbulent drag reduction is investigated.The results of analysis are in accord with the turbulent drag reduction over ribelt flow over flat plate.K ey w ords:numerical simulation;ribelt surfaces;drag reduction1引言节约能源消耗是人类一直追求的目标,其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中,尽量减少表面的摩擦阻力。
壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究
壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究李恩田;吉庆丰;庞明军【摘要】为了研究壁面微结构流动控制技术的减阻效应及其产生的原因,利用循环管路系统的方形管道进行了压降测定试验,并利用粒子成像测速仪测量了边界层内部结构和对应的参数.试验采用了沟槽和肋条两种不同类型的微结构壁面,每种形状的微结构各有3种不同的结构尺寸.试验研究结果表明:在一定的无量纲宽度s+范围内,6种不同的微结构壁面都具有减阻效果;减阻率随着s+的增大,呈现先增大后减小的趋势,其中沟槽壁面2的减阻效果最好,最大减阻率为9.90％;壁面微结构通过影响流场内部的涡结构、湍流脉动、雷诺切应力和平均流速等使得不同壁面微结构具有减阻效果.【期刊名称】《水利学报》【年(卷),期】2018(049)006【总页数】8页(P767-774)【关键词】流动控制;壁面微结构;减阻率;雷诺应力;湍流脉动强度【作者】李恩田;吉庆丰;庞明军【作者单位】扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225127;常州大学石油工程学院,江苏常州213016;扬州大学水利与能源动力工程学院,江苏扬州225127;常州大学石油工程学院,江苏常州213016【正文语种】中文【中图分类】O357.51 研究背景流动控制技术是被动或主动采用某种装置使得壁面有界流动或自由剪切流动获得有益的改变，这些有益的改变包括减阻、增升、混合增强和流噪声抑制。
壁面微结构减阻技术研究是近壁面湍流流动控制技术研究领域的一个重要组成部分，此项技术研究起步于上世纪30年代初，60年代中后期具有成效的研究工作普遍展开。
Bechert等［1-3］对不同断面形状的壁面微结构做了大量试验，得到了相似的结论，V形微沟槽的减阻效果最好，当沟槽的高度h和间距s的无量纲尺寸分别为h+≤25和s+≤30时具有减阻特性，当h+=s+=15时减阻率最大，最大减阻率为8%。
国内王晋军等［4-6］通过利用LDV、PIV流动测试技术发现：微结构壁面湍流边界层内部湍流强度减弱，并且边界层厚度增厚。
沟槽面湍流减阻研究综述.
收稿日期 : 1996212213第一作者男 33岁教授 100083北京1998年 2月第 24卷第 1期北京航空航天大学学报 Journal of Beijing U niversity of A eronautics and A stronauticsFebruary 1998V o l 124 N o 11沟槽面湍流减阻研究综述王晋军(北京航空航天大学飞行器设计与应用力学系摘要对近 20年来沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构、湍流减阻及其机理的研究进展进行了综述 . 内容涉及沟槽面平板、旋成体、机翼等在压、跨、超音速流动情况下的实验研究成果 ; 压力梯度、攻角、侧滑角等的影响 ; 湍流猝发特性、紊动特性、近壁区带条结构的特征及减阻机理等方面的工作 . 为更有效地减少表面摩阻 , 必须深入开展对沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构及湍流减阻机理等方面的研究 .关键词湍流边界层 ; 减阻 ; 湍流结构 ; 沟槽面分类号 O 357. 54; V 211. 19节约能源消耗是人类一直追求的目标 , 其主要途径之一就是在各种运输工具的设计中 , 尽量减少表面摩擦阻力 . 表面摩阻在运输工具的总阻力中占有很大的比例 , 例如 :常规的运输机和水上船只 , 其表面摩阻约占总阻力的 50%; 对于水下运动的物体潜艇 , 这个比例可达到 70%; 离的管道输送中 , 表面摩擦阻力 . 域 , , 阻意义重大 , 已广泛的重视 , 并已被NA SA 列为 21世纪的航空关键技术之一. 有关减阻的研究可追溯到本世纪 30年代 , 但直到 60年代中期 , 研究工作主要是减小表面粗糙度 , 隐含的假设是光滑表面的阻力最小 . 70年代阿拉伯石油禁运和由此引起的燃油价格上涨激起了持续至今的湍流减阻研究的高潮 . NA SA 兰利研究中心的工作是这一时期的代表 , 他们发现顺流向的微小沟槽表面能有效地降低壁面摩阻 , 突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式 . 为了更有效地对物体表面进行湍流减阻设计 , 人们对沟槽面湍流边界层特性及其减阻机理进行着不懈的探索 .1沟槽面阻力特性研究1. 1沟槽平板NA SA 兰利研究中心的 W alsh 及其合作者最先开展了沟槽平板湍流减阻的研究 [1~4], 他们研究了几种类型的沟槽表面 , 天平测力结果表明最佳的设计是一种对称的 V 型沟槽面 , 当其高度h 和间距 s 的无量纲尺寸 h +≤ 25和 s +≤ 30时具有减阻特性 , 减阻效果最佳时沟槽的尺寸为 h +=s +=15, 这时可减阻 8%..], 利25%的净减阻 . 采用 , Gallagher 和 T hom as [6]的研究结果表明只在沟槽板的后半部分阻力有所减小 , 但总的阻力几乎不变 . Cou sto ls [7]得到了 10%~15%的减阻 , 且当侧滑角Β≤ 20°时仍有较好的减阻效果 .Park 和 W allace [8]用热线风速仪详细测量了沟槽内的流向速度场 , 通过对沟槽壁切应力的积分 , 得到了大约 4%的减阻 . Gaudet [9]在 M a =1. 2的沟槽面湍流边界层的研究中得到了 7%的减阻 . W ang [10]研究了沟槽面对边界层转捩的影响 , LDV (激光测速仪测量结果表明 , 沟槽面不仅使层流边界层区域增大 , 且使转捩为湍流的雷诺数约增大 4倍 , 从而降低了平板边界层的阻力 . 1. 2旋成体N eum ann 和 D ink lacker [11]对头部为椭圆旋成体的圆柱体的研究表明 , 可减阻 9%, 而在转捩区得到了13%的减阻 . 对于类似的模型 , Cou s 2to ls[7]在 M a =0. 3~0. 815的跨音速流动中得到了 7%~8%的减阻 .1. 3翼型及压力梯度的影响 Cou sto ls [7]对 L C 100D 翼型在攻角Α=0°~6°的阻力特性进行了研究 . 实验中 , 仅上表面 x c =0. 2~0. 95的区域为沟槽面 , 通过测量 x c =1.5处的尾流得到Α≤ 3°时可减阻 2. 7%.Sundaram 等 [12]对上下翼面 x c =0. 12~0. 96区域为沟槽面的 NA CA 0012翼型的研究表明 , 在攻角Α≤ 6°的范围内有 16%的减阻 .对于跨音速流动 , M c L ean 等 [13]把 3M 公司的沟槽薄膜贴在 T 233机翼上表面的部分区域 , 实验马赫数为 M a =0. 45~0. 7, 得到了 6%的减阻 . Cou sto ls 和Schm itt [14]对 CA ST 7机翼在 M a =0. 65~0. 76的实验结果表明 , 摩擦阻力减小7%~ 8%.V is w anath 和 M ukund [15]将沟槽薄膜贴在 ADA 2S 1超临界翼型上下翼面 x c >0. 15的区域 , 实验攻角为Α=-0. 5°~1. 0°, 得到了 6%~12%的减阻 .D eb isschop 和 N ieuw stadt [16]研究了逆压梯度对沟槽平板的影响 , 结果表明逆压梯度增加了沟槽板的减阻效果 , 他们得到了 13%的减阻 , 比相应的零压梯度情形多减阻 7%.1. 4应用研究大量的研究工作表明了沟槽面减阻的可靠性和可应用性 , 国外的研究已进入工程实用阶段 , 空中客车公司将 A 320试验机表面积的 70%槽薄膜 , 达到了节油 1%~2%利中心对 L earjet 6%的量级 . 在国内 , [17]1 12的运七模型 , 实验表明可减少飞机阻力 5%~8%.2沟槽面湍流边界特性研究2. 1猝发特性已有研究成果表明 , 沟槽面湍流猝发强度低 , 但对沟槽面湍流猝发频率的影响如何 , 仍有不同的看法 , 详见表 1.表 1猝发频率检测结果研究者检测方法与光滑面结果的比较Gallagher 和 T hom as [6]V ITA 法 -30% W alsh [2]V ITA 法基本不变 Bacher 和Sm ith [5]流动显示不变 Cho i [18]条件采样增加 Schw arz 2van M anen 等 [19]象限法 -30% Savill [20]流动显示 -30%Pulles 等 [21]V ITA 法 (u +20% (v -20%T ang 和 C lark [22]条件采样 +10% T ardu 等 [23]V ITA 法 -10%~-20% H efner 等 [1]不变注 :(u 、 (v 表示根据 u 、 v 向脉动速度计算得到的结果 . 2. 2紊动特性Schw arz 2van M anen 等 [19]、 Hoo shm and 等 [24]、 Pu lles 等 [21]、 Cho i [25]和 H efner 等 [1]的研究表明 , 在近壁区(u ′ U 0 的减少与减阻表面联系在一起 . T ang 和 C lark [22]、 T ardu [23]等的研究表明, (u ′ U 3 m ax 分别降低 7%和5%~8%.Cho i [25]指出 , 在 y +<70内 , 3个方向的湍流强度均减小 10%, 而雷诺应力减小 20%.T ardu 等 [23]还得到在 y +<15内平坦系数和偏斜系数增大 , T aylo r 和L iepm an 尺度不受沟槽的影响 , 但在粘性底层内沟槽使大尺度涡旋的能量减弱 .为了深入了解沟槽内的流动特性 , V uko slavcevic 等 [26]、 Park 和 W allace (8]、 Suzuk i 和 Kasagi [27]等在实验中选用了较大尺度沟槽和较低来流速度进行研究 , 以满足表面减阻设计要求 . V uko slavcevic 等 [26]得到 , 在沟谷(u ′ U 3 m ax 减少约 17%, 而在沟槽尖顶处, (u ′ U 3 m ax 约减少5%, y ∆ =6. 5%和 2%, , 但在y ∆ . Park 和 W allace [8], 而在沟谷垂线上则减小 , 但这些影响只限于 y +<40的区域 . Suzuk i 和 Kasagi [27]采用三维粒子示踪测速技术对沟槽面湍流的研究表明 , 3个方向的湍流强度和雷诺应力都减小 , 沟槽的影响限于 y h <2内 .Cho i [28]、 D eb isschop 和 N ieuw stadt [16]等研究了压力梯度的影响 . Cho i [28]得到(u ′ U 0 m ax 最大降低 5%~13%, 且顺压梯度比逆压梯度的作用要明显 ; 对于零压梯度, (u ′ U 0 m ax 减少 8%.平坦系数和偏斜系数在逆压梯度时的数值比零压和顺压梯度时的值要大 , 但沟槽仅影响 y +<16的区域 . D eb isschop 和 N ieuw stadt [16]在逆压梯度情形下得到近壁区u ′ 的减小和摩阻速度 U 3的减小为同一量级 . 对于 NA CA 0012翼型 , 实验攻角为Α=0°~6°, Sundaram 等 [12]得到 y +<40内 , u ′ U 3比光滑面降低 10%~15%.由此可见 , 沟槽面仅影响近壁区的流动 . 对于减阻表面 , 在近壁区流向湍流强度总是降低的 , 而偏斜系数和平坦系数则总是增加的 .2. 3带条结构对于光滑壁面 , 在近壁区存在低速带条结构 , 其无量纲间距遵循对数正态分布 , 在粘性底层内 , 其平均值约为 100. 而对于沟槽面 , 不同学者得到的结果如表 2.23北京航空航天大学学报 1998年表 2带条结构观测结果研究者观测方法与光滑面结果的比较 Gallagher 和 T hom as [6]展向相关分析 +15%~+30%Hoo shm and 等 [24]流动显示不变Bacher 和 Sm ith [5]流动显示+40%T ang 和 C lark [22]增加Pulles 等[21]减少 [27]相关分析不变3减阻机理研究近几年来 , 为了有效地设计减阻表面 , 人们的注意力集中到沟槽面湍流减阻机理的研究 . 许多学者从不同角度对减阻机理进行探讨 , Gallagher 和 T hom as [6]认为是由粘性底层厚度的增加造成的 , B acher 和 Sm ith [5]归结为反向旋转的流向涡与沟槽尖顶形成的小的二次涡的相互作用 , 认为二次涡减弱了与低速带条相联系的流向涡 , 并在沟槽内保留低速流体 (图 1 ; 流动显示结果表明 , 注入的染色液的展向扩散限于沟槽内 , 相邻沟槽间的相互作用较弱 . Cho i [18]认为不仅仅是一种机制 , 但最主要的是沟槽限制了流向涡的展向运动 , 引起壁面猝发变弱 , . W alsh[29]认为狭窄的 V,图 1流向涡和沟槽表面尖峰的相互干扰这一点被 Park 和 W allace [8]对沟槽侧面摩阻的精细测量所证实 , 他们得到侧壁上面 1 4部分的摩阻与光滑面大致相等 , 其余 3 4部分比光滑面小 , 从而导致了总摩阻的降低 . V uko slavcevic 等 [26]通过测量沟槽尖顶和低谷垂线上的流速分布得到在尖顶处摩阻增加 85%, 而在低谷摩阻降低很多 .Schw arz 2van M anen 等 [19]得到了类似的结果. 由于缺乏对低速带条结构系统的和细致的研究 , 低速带条的变化与减阻的关系还不太清楚 .4结束语湍流是一种非常复杂的流动 , 近 100年来研究工作者进行了大量的不懈的探索 , 但对其了解的还相当有限 . 关于沟槽面湍流减阻的研究还不到 20年 , 对沟槽面湍流边界层特性 , 湍流拟序结构及湍流减阻机理等的研究有待深入开展 . 只有对沟槽面湍流边界层特性及其拟序结构深入了解 , 才 ., Bushnel D M , W alsh M J . R esearch on non 2p lanar w all geom etries fo r turbulence contro l and sk in 2fricti on reduc 2ti on . 8th U . S . 2FR G D EA 2M eeting , V iscous and interactingflow field effects , Go ttingen , 1983. 1~102 W alsh M J . R iblets as a viscous drag reducti on technique . A 2I AA Journal , 1983, 21(4 :485~4863 W alsh M J . T urbulent boundary layer drag reducti on using ri 2blets . A I AA 28220169, 19824 W alsh M J , L indem ann A M . Op ti m izati on and app licati on ofriblets fo r turbulent drag reducti on . A I AA 28420347, 19845 Bacher E V , Sm ith C R. 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T he exp eri m en tal veloci 2 ties cover sub son ic , tran son ic and superson ic flow s , and the con ten t includes :(1 flow over flat p late , revo lu ti on body and w ing w ith rib lets su rface at zero angle of attack ; (2 the effect of p ressu re gradi 2 en t , angle of attack and slide angle ; (3 the bu rst characteristics , characteristics of tu rbu lence , the streak structu re in the near w all regi on and the drag reducti on m echan is m . In o rder to reduce the sk in fricti on efficien tly , m o re research w o rk s shou ld be done on the characteristics of tu rbu len t boundary layer , tu rbu len t coheren t structu res and the m echan is m of tu rbu len t drag reducti on fo r flow over ri 2 b lets su rfaces .Ke y w o rds tu rbu len t boundary layer ; drag reducti on ; tu rbu lence structu res ; rib lets su rfaces 43北京航空航天大学学报 1998年。
!鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究
第19卷第21期 系统 仿 真 学 报© V ol. 19 No. 212007年11月Journal of System Simulation Nov., 2007鲨鱼沟槽表皮减阻机理的仿真研究胡海豹，宋保维，潘 光，毛昭勇，杜晓旭(西北工业大学航海学院, 西安 710072)摘 要：通过对鲨鱼沟槽表面特殊流场的数值仿真研究,探讨了沟槽表面存在减阻效果的内在机理。
针对沟槽表面流场的特点，在数值计算过程中对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化的处理，并尝试将力学相似原理运用于沟槽表面流场的数值仿真。
仿真结果表明，沟槽表面与顺流的“反向旋转涡对”相互作用，产生“二次涡”，削弱了“反向旋转涡对”的强度，进而抑制了低速条带的形成和发展，从而降低湍流猝发强度，实现湍流减阻。
关键词：沟槽表面；数值仿真；减阻；“二次涡”；“反向旋转涡对”中图分类号：O335.3 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2007) 21-4901-03Simulation Studies on Drag Reduction Mechanism of Shark Riblets SurfaceHU Hai-bao, SONG Bao-wei, P AN Guang, MAO Zhao-yong, DU Xiao-xu(College of Marine, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China)Abstract: Through the numerical simulation investigation, the turbulent drag redaction mechanism above shark riblets surface was explored. In allusion to the characteristic of riblets surface, the computation region, grids and flow parameters were dealt with reasonably, and mechanic similarity principle was brought forwards into fluid field numerical simulation . The results of simulation show that a series of “second-vortex” are produced when streamwise “reverse-vortices” are effected by riblets. They weaken intensities of “reverse-vortices”, and restrain the productions and developments of low-flow strips, so turbulent drag reduction is obtained.Key words : riblets; numerical simulation; drag reduction; “second-vortex”; “reverse-vortices”引 言目前的各种湍流减阻方法中，沟槽表面减阻技术以其减阻效果显著和易于推广使用的特点，被公认最具使用潜力。
!!随机粗糙与沟槽面复合结构减阻特性研究
SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.30 No.5 2008 总第30卷，2008年第5期随机粗糙与沟槽面复合结构减阻特性研究郭 杰，耿兴国，高 鹏（西北工业大学理学院，西安 710072）摘 要：采用旋转锥板式剪切力的测试系统，测试了不同试样对甘油和水混合液的减阻性能.制备得到的优化复合结构在剪切率为200s-1~2000s-1时，可实现减阻约从13%~19%，且减阻率随剪切率的增加呈递增趋势；在剪切率2000s-1时，最大减阻可达18.9%.分析表明，粗糙结构、沟槽结构及沟槽的排列方式共同作用，实现了试样减阻效果大幅度提高和减阻范围的扩展.关键词：复合结构；粗糙结构；沟槽结构；非线性排列；减阻；机理中图分类号：O353.5 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2008) 05-0062-04Drag-reduction performance study of composite structure surfacewith rough structure and ribletsGUO Jie, GENG Xing-guo, GAO Peng(Department of the Applied Physics, Northwestern Polytechnical University, Xi ’an 710072, China)Abstract:The drag-reduction performance of the mixed solution of water and glycerin on different samples is tested by the testing system of rotatory cone&plate shear rate. The optimized composite structure has a drag-reduction of 13%~19% when shear rate is 200s-1~2,000s-1, and the drag-reduction rate increases following the rising of the share rate. The max drag-reduction is 18.9% when shear rate is 2,000s-1. The analysis shows that drag-reduction by large extent and large shear rate extension is due to the effect of riblets, nonlinear arrangement and rough structure.Key words: composite structure; rough structure; riblets; nonlinear arrangement; drag-reduction; mechanism0 引言减小水下航行器的运动摩擦阻力，对航海及交通运输领域的节能降耗，特别是水下兵器如鱼雷和潜艇的高效能高速度运动有重要作用.目前国内外所采取的主要方法有：沟槽结构减阻、柔性壁面减阻、聚合物添加剂减阻、疏水涂层减阻及随机凹凸结构减阻等.Walsh等人[1,2]首先开展了肋条减阻的研究，结果表明V型肋条具有最好的减阻效果，当其高度h和间距S 的无量纲尺寸h+≤25和S+≤30时具有减阻特性，当沟槽的尺寸为h+＝S+＝15时，减阻效果最佳，可达8%.Dinkelacker等[3]研究发现鲨鱼皮布满了肋条状真皮组织（riblet），当紊流流经这种具有纵向沟槽的表面时会比流经光滑表面时产生的剪切阻力要小.Bechert 等[4]测试了多种形状的肋条表面的减阻效能，可得到7%的减阻幅度.近年来国内相关试验研究也有较大进展，在回转体外表面条纹沟槽的减阻量约8%[5,6]；沟槽平板局部减阻约19%左右[7].随机凹凸结构减阻是近来引人注目的新思想，L.Sirvich[8]的对比试验发现，随机结构阻力系数比光滑表面约小10%，而规则凹凸结构阻力系数比光滑表面却有增大.基于以上研究，本研究提出通过构建随机粗糙与非线性排列的沟槽复合的结构表面，来实现减阻效果大幅度提高和减阻范围扩展的思想，并对其减阻机理进行探索.1 研究内容及测试方法1.1 研究内容在铝合金表面上，采用模板刻蚀方法制备沟槽结收稿日期：2007-11-01；修回日期：2007-11-19基金项目：航天支撑技术基金资助项目；西北工业大学研究生创业种子基金[Z200761].作者简介：郭杰（1981−），男，西北工业大学在读硕士研究生，目前从事于船舶减阻技术的研究.构，然后通过阳极氧化工艺在沟槽表面上构建出具有随机粗糙结构的表面.本试验就不同沟槽参数对减阻效果的影响作了对比试验，通过比较分析得出沟槽结构参数（包括槽深和槽宽）、槽排列方式（包括均匀排列、间隔排列和非线性排列方式）及粗糙结构对减阻效果的影响，从而对表面进行优化设计，以制备出减阻效果好、减阻范围大的试样.并对其减阻机理进行分析讨论.为下文叙述方便，将样品做如表1所示的编号.表1 试样的编号法则结构类型 窄浅沟槽 （粗糙化后）宽浅沟槽 （粗糙化后）窄深沟槽 （粗糙化后）宽窄沟槽 （粗糙化后）非线性排列 （粗糙化后）均匀排列 （粗糙化后）复合 优化结构标号1 （1*）2 （2*）3 （3*）4 （4*）5 （5*）6 （6*）71.2 测试方法采用美国BROOKFIELD CAP2000+ 粘度计经适当改造，来测试样的减阻效果，其基本原理见图1.图1 Brookfield CAP2000+ 粘度计原理图当锥板转子以一定的角速度Ω转动时，转子与实验样板间的液体就会对其产生剪切力，反映在数据采集系统上的就是剪切力的数值.依据剪切力τ的大小，根据减阻量计算公式()Κτττ=−处理后未处理未处理，可很容易的计算出减阻量K 的大小.2 样品表面形貌及性能特性在铝合金（L Y12）表面上采用模板刻蚀方法制备出规则沟槽结构（图2），不同试样的结构参数见表2.图2 沟槽结构的几何形貌表2 试样沟槽结构的参数样品 1/1*2/2*3/3*槽深h +13.7/16.013.6/15.6 16.5/17.6结构 参数槽宽S +16.8/18.024.0/25.0 17.5/18.1然后，经极氧化工艺处理后，在试样表面形成一层致密的微/纳米量级的随机凹凸的粗糙表面结构，如图3所示.从图3可看出，处理后的铝合金表面主要由微米及纳米量级的颗粒状结构组成，且该结构具有很~10μm仪器基板 锥板转子 实验 样板 Ω,M R θθz xy r Φ液体图3 粗糙表面的微结构3 实验结果本实验中，采用V 甘油:V 水=2:1的甘油和水混合液作为测试液体，温度设定为22℃，实验过程中保持恒温.实验分别测试了沟槽结构参数、沟槽排列方式及粗糙化对减阻效果的影响.3.1 沟槽结构参数对减阻效果的影响沟槽参数影响减阻效果已为众多试验所证实，为了对试样进行优化设计，对具有代表性的不同沟槽结构参数的试样1、2、3进行了测试，其剪切力随剪切率的变化关系如图4所示. S h L50454035302520151050246810 12 14 16 18 2022剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2样品1 样品2 样品3 标准样图4 不同沟槽参数试样的剪切力随剪切率的变化关系从图4可看出，试样3（窄深沟槽结构）具有最好的减阻效果，减阻约4%~11%；试样1减阻3%~10%；试样2减阻效果最差，约为1%~5%.并且三个样品的减阻效果都是随着速度的增加呈递增的趋势.对比试样的沟槽结构参数发现，槽深与槽宽比值越大，越有利于减阻，并且随着剪切率的增大，这种现象更为明显；且槽宽对减阻效果的影响要比槽深的影响更显著.3.2 沟槽的排列方式对减阻效果的影响沟槽排列方式对减阻效果的影响是本实验对试样减阻性能优化设计的新探索，实验对窄沟槽等间隔排列、宽窄两种沟槽等间隔排列和窄沟槽非线性排列进行了减阻测试，其结果如图5所示.图5 不同沟槽排列方式试样的剪切力随剪切率的变化关系从图5可看出，试样5（窄沟槽非线性排列方式）具有最好的减阻效果，减阻从7%~15%，且随着剪切率的增加呈逐渐增大趋势；试样4（宽窄两种沟槽等间隔排列）减阻从9%~13%，但其减阻效果在不同的剪切率下变化不大；三者中减阻效果相对最小的是试样6（具有窄沟槽均匀排列）.通过以上数据分析发现，排列方式对减阻效果有很大的影响.将窄沟槽结构和宽沟槽结构进行均匀间隔排列得到试样4，要比单一的窄沟槽均匀排列的试样6的减阻效果还要好；沟槽非线性排列方式的试样的减阻效果优于沟槽宽窄结合排列方式的试样. 3.3 随机粗糙结构对减阻效果的影响实验中，对表面粗糙化的试样与光滑表面的标准试样进行了对比，其结果如图6所示.图6 粗糙化表面试样的剪切力随剪切率的变化关系 从图6可看出，随机粗糙结构在剪切率为200S -1~2000S -1时，减阻均在2%以上，且在200S -1~600S -1的剪切率范围内，减阻可超过5%.与沟槽结构不同，随机粗糙结构的减阻效果随着剪切率增加呈递减趋势.于是，在沟槽结构上叠加随机的粗糙结构，其剪切力随剪切率的变化关系如图7所示.从图7可看出，所有的试样复合了粗糙结构后，其减阻效果都有一定改善.随剪切率的增加，其减阻幅度从5变化至2%，即在低剪切率下改善的更明显，当剪切率小于500S -1时，减阻率最大可提高约5%.5045 4035 30 25201510 50 2 4 6 8 1012 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2样品4 样品5 样品6 标准样5045403530252015105024681012 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2样品3*样品4*样品5*标准样样品2*样品1*图7 粗糙结构沟槽表面试样剪切力随剪切率的变化关系3.4 优化的粗糙结构沟槽面的减阻效果以上实验发现，沟槽宽度小、深度大和非线性排列将有利于减阻，同时表面粗糙化也在一定程度上改善减阻效果.依据这个实验事实，设计制造了具有优化结构的试样7，其沟槽深宽比见表2中结构参数3，沟槽采用非线性的排列方式，并复合以粗糙结构，该表面的减阻测试结果如图8所示.从图8可看出，优化结构后的试样其减阻效果有了明显的改善，在剪切率为200S -1~2000S -1时，可实现减阻约13%~19%，且随剪切率的增加呈递增趋势；在剪切率2000 S -1时，减阻可达18.9%.其具体减阻率大小如表3所示. 5045403530252015105024681012 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2粗糙表面标准样5045 4035 3025 201510 50 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22剪切率×102/S -1剪切力/N ·m -2粗糙表面 标准样图8 优化结构试样的剪切力随剪切率的变化表3 试样7在不同剪切率下的减阻率剪切率/S -1200 300 400 500 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000减阻率/% 13.6 12.6 13.2 14.2 15.1 15.2 15.8 16.0 16.5 17.8 18.2 18.94 分析与讨论应用沟槽结构减阻的“第二涡群”论[9]（如图9所示）可以很好的解释本实验的结果.“第二涡群”论认为反向旋转的流向涡与肋条尖顶形成的小的二次涡的相互作用，二次涡减弱了与低速带条相联系的流向涡，从而抑制了低速带条的形成并减弱了低速带条的运动不稳定性（即低速带条缓慢向上提升继而振荡的过程被减弱）.实验中，当沟槽深度较深时，有利于猝发二次涡的形成，并可使二次涡的强度增加，因而更有利于减阻；而当沟槽宽度较宽时，其结构在剪切率较小时相当于平面，因而减阻效果较差.图9 “第二涡群”论的立体示意图[10]沟槽排列方式主要是影响流向涡的展向运动，引起壁面猝发变弱，降低了湍能耗损，从而最终达到减阻的目的.而制备沟槽非线性排列的试样，其沟槽的排列方式可包含各多种周期性，因此对多频谱的流向涡减阻起到显著作用.粗糙结构的减阻机理就在于微孔结构可以封闭部分空气，有利于产生边界滑移，并且水流经过粗糙结构时，产生了微小的漩涡，有利于消弱流向涡的强度.当剪切率较低时，边界滑移在减阻中其主要作用，同时漩涡也使减阻幅度进一步增加；但剪切率较大时，边界滑移很小，漩涡的影响变成主要因素.因而，粗糙结构在高剪切率下的减阻效果不如低剪切率下明显.将粗糙结构与非线性排列的沟槽结构复合，实现了减阻效果大幅度提高和减阻范围从小雷诺数扩展到大雷诺数区间.其主要原因是低剪切率减阻效果明显的粗糙结构与高剪切率下减阻效果明显的沟槽结合，使减阻范围得以扩大.同时，对沟槽排列方式的优化，可以显著提高减阻幅度.5 结论实验对沟槽结构参数及沟槽排列方式进行了对比实验.结果表明，沟槽宽度较小，深度较大，采用非线性的排列方式，减阻效果更明显；同时，对粗糙结构减阻效果进行了测试，发现粗糙结构在低剪切率下有一定减阻效果.最后，实验制得具有优化结构的试样，测试表明，在剪切率为200S -1~2000S -1时，可实现减阻约13%~19%，且随剪切率的增加呈递增趋势；在剪切率2000 S -1时，减阻可达18.9%.分析表明，粗糙结构、沟槽结构及沟槽的排列方式共同作用，实现了试样减阻效果大幅度提高和减阻范围从小雷诺数扩展到大雷诺数区间的目的. 产生二次涡涡前缘y 低速流体上升涡前缘 产生二次涡yu参考文献：[1] Walsh M J. 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宫武旗 李新宏 黄淑娟
（ 西安 交 通 大学 能源 与动 力 工程 学 院， 陕西 西安 ７ ０ ４ ） １０９
摘 要 利 用 ＩＡ ０ Ｆ ３ ０型热 线风 速仪 ，测量 了光滑壁 面 和 沟槽减 阻壁 面 湍流 边界 层 内 的瞬 时 速度 ，利用 自行 设 计 的阻 力天 平仪 测量 了壁 面摩 擦 力。得 到 了边界 层 无量 纲速 度 分布 和平 均湍 动 能分 布。对测 得 的脉动 速度 信号 ，利 用 离散 正交 小 波变 换按 时 间和 尺度分 解，得到 各 尺度 分 量 的湍动 能，并 且发 现其 分 布在 湍流 惯性 区 具有极 大 值。分析 表 明，当沟 槽有 减 阻效
ＥＸ Ｐ ＥＲ Ｉ ＥＮ Ｔ Ｍ ＳＴＵ Ｄ Ｙ Ｎ Ｈ Ｅ ＥＣ Ｈ Ａ Ｎ Ｉ ｏ Ｔ Ｍ ＳＭ Ｆ ｏ Ｒ Ｉ ＬＥＴ Ｓ Ｄ Ｒ Ａ Ｇ ＥＤ Ｕ Ｃ ＴＩ Ｎ Ｂ Ｒ ｏ
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果 时，边 界层 内的平 均湍 动 能减 小，湍 流惯 性 区各 分量 的湍动 能极 大值 亦 减小 。 关键 词 小 波分 析；湍 流边 界 层；减 阻
中图分 类号 ：０ ５ ． ３７５
文 献标 识 码：Ａ
文 章编 号：０ ５— ３Ｘ（０ ２０ － ５９ ０ ２ ３２ １ ２０ ）５０ ７ －４
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第 ２ ３卷第 ５期
２ ０ 年 ９月 ０２
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沟槽壁面减 阻机理实验研 究
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