湍流减阻意义与工程应用

合集下载

流体力学中的流体中的湍流衰减与湍流消失

流体力学中的流体中的湍流衰减与湍流消失流体力学中的湍流衰减与湍流消失流体力学是研究流体运动规律的科学领域，其中湍流是流体力学中的一个重要概念。

湍流是指在流动过程中，流体在某一位置发生周期性扰动和混乱的现象。

湍流的出现使得流体运动变得复杂并且难以预测，因此，研究湍流的发生机理以及其衰减、消失的过程具有重要的理论和实际意义。

湍流衰减是指湍流能量在流动过程中逐渐减弱的现象。

湍流的能量来源于流体的惯性和流动环境的扰动。

在大多数情况下，湍流发生后会逐渐消耗能量并衰减，最终转变为稳定的层流。

湍流衰减的过程受到多种因素的影响，如流体的黏性、流场的环境、流动的速度等。

当流体的黏性较高或流动速度较低时，湍流的衰减速度较快。

相反，当流动速度较高或流体的黏性较低时，湍流的衰减速度较慢。

此外，流动环境的扰动也会对湍流的衰减过程产生影响。

湍流的消失是指湍流被完全抑制或湮灭的过程。

湍流的消失可以通过控制流动条件来实现，比如通过增加流体的黏性、减小流动速度、增加表面粗糙度等手段。

此外，湍流的消失还可以通过采用控制措施来实现，如在流场中引入流动干扰、采用层流化网格等。

这些措施可以有效地降低湍流能量并抑制湍流的发生。

湍流衰减和湍流消失在不同的领域和工程应用中具有重要的意义。

例如，在空气动力学中，湍流的产生会导致飞行器的阻力增大和气动噪声的产生，因此研究湍流的衰减和消失对于提高飞行器的性能和降低噪声具有重要意义。

在流体输运和换热中，湍流的发生会对传热和传质过程产生影响，因此控制湍流的发生和消失对于提高传热和传质效率具有重要意义。

总之，流体力学中的湍流衰减和湍流消失是一个重要的研究领域。

通过研究湍流的衰减和消失机理，可以为各个领域和工程应用中的湍流问题提供有效的解决方案，进而提高流体运动的效率和性能。

流体力学研究人员将继续努力深入探索湍流的本质和特性，以期在湍流控制和应用中取得更大的突破。

湍流减阻意义与工程应用

湍流减阻意义与工程应用摘要：湍流减阻的原理与粘性减阻的定义应用，高分子聚合物在湍流中的原理解释，从不同的方向阐述了当今流体湍流减阻的研究成果，展现了湍流减阻的深入对于科学技术与社会发展产生的重要作用，展望了对于湍流减阻的前景,并对湍流减阻的发展提出了一些建议和设想。

关键词：湍流减阻；粘性减阻；高分子聚合物；湍流Turbulent drag reduction significance and engineering applicationAbstract: the principle of turbulent drag reduction and viscous drag reduction the definition of the application of polymer in the turbulence theory to explain, in different directions this paper expounds the current research achievements of fluid turbulent drag reduction, showed the in-depth of turbulent drag reduction for the important role of science and technology and social development, the outlook of the turbulent drag reduction, and puts forward some Suggestions on the development of turbulent drag reduction and ideasKey words: turbulent drag reduction; Viscous drag reduction; Polymer; turbulence人类很久前就已经观察到湍流运动了，但对它系统地进行研究则仅仅有一百多年的历史。

湍流减阻原理和应用

湍流减阻原理和应用嘿，朋友！想象一下你在湍急的河流中划船，那水流疯狂地冲击着船舷，让你费尽力气也前进不了多少。

这时候，如果能有一种神奇的力量让这凶猛的水流变得温顺，让你的船轻松前行，是不是很棒？其实啊，这背后就隐藏着湍流减阻原理的奥秘。

在我们的日常生活中，湍流随处可见。

比如当你打开水龙头，水哗哗地流出来，如果水流很急，就会形成湍流。

再比如，当风呼呼地吹过街道，遇到建筑物时也会形成湍流。

而湍流减阻原理，就是要在这些看似混乱的流动中找到规律，然后想办法减少阻力，让物体能够更顺畅地移动。

咱们来瞧瞧飞机在天空中飞行的场景。

飞机那庞大的身躯在空气中穿梭，空气可不会轻易放过它，会形成强大的阻力。

如果不解决这个问题，飞机不仅飞得费劲，还会消耗大量的燃料。

这时候，湍流减阻原理就派上用场啦！科学家们通过研究发现，在飞机的表面采用一些特殊的涂层或者设计一些微小的结构，就能够有效地减少空气湍流带来的阻力，让飞机飞得又快又稳。

那湍流减阻原理在日常生活中还有哪些应用呢？比如说，游泳的时候。

你看那些专业的游泳运动员，他们的泳衣可都是精心设计的。

泳衣的材质和表面纹理能够减少水流在身体表面形成的湍流，从而降低阻力，让他们在水中如鱼得水。

还有汽车！汽车在高速行驶时，空气的阻力可不小。

为了让汽车跑得更顺畅，更省油，工程师们也在利用湍流减阻原理。

他们会优化汽车的外形，让空气能够更平滑地流过车身，减少阻力。

你可能会问，这湍流减阻原理到底是怎么做到减少阻力的呢？这就好比在一条拥挤的街道上，如果大家都乱哄哄地挤来挤去，那谁也走不快。

但要是有个指挥的人，让大家有序地排队前行，是不是就顺畅多了？湍流减阻原理就是那个“指挥的人”，通过改变流体的流动状态，让它们更有秩序，从而减少阻力。

想象一下，如果没有湍流减阻原理的应用，我们的生活会变得多么糟糕？飞机可能要耗费更多的燃料，飞行成本会大幅增加，机票价格可能会高得让我们望而却步。

汽车可能会变得更加耗油，我们的出行成本也会随之上升。

水环式真空抽采泵湍流减阻节能提效在余吾矿的应用

１０６之间ꎬ在常温下是白色可流动粉末的状态ꎬ其分
子结构是( ＣＨ２ＣＨ２Ｏ) ꎮ
表１降阻提效剂性状描述
性状
提效剂
外观
白色粉末状
气味
稍带气味
毒性
无毒环保型
目数
８０
分子量 / ( ｇｍｏｌ－１ )
１０５ ~ １０６
ｐＨ值
粘度(０. ５％) / ( ＭＰａｓ－１ )
７
图２聚氧化乙烯分子式和实物
外２台备用ꎬ额定功率是８００ｋＷꎬ当前３号瓦斯抽
采泵是实验对象ꎬ被改造成运用减阻工作液的全封
闭式瓦斯抽采泵节能系统ꎬ具体如图３所示ꎮ
图４是地面全封闭式瓦斯抽采泵节能系统运
行ꎬ其运行流程为由水环真空泵经过气液分离设备
之后ꎬ到达煤粉过滤设备ꎬ在进入流道式换热设备ꎬ
最后再次到达水环真空泵ꎮ
泵年可实现净节能效益为５８. ８－６. ９＝５１. ９万元 / ａꎮ
故此能够发现ꎬ 该抽采泵站每年的节能效益达到
２０７. ６万元ꎮ
表３试验前后２号瓦斯抽采泵性能参数
工作液
清水
抽采负
压 / ｋＰａ
减阻液
０. ８１ꎮ
－４５
－４５
电流耗水量 / 轴功率节能效单泵节电量 /
置ꎬ实现了工作介质的“ 循环水池自然冷却—强制
对流冷却” 的过程ꎮ 结合煤矿现场水质差、硬度高、
煤粉含量高等恶劣工况ꎬ选用防堵能力强、易拆装清
洗、适用于高粘性介质的换热装置ꎬ大幅度提升节能
设备的安全性与稳定性ꎮ
２) ＰＬＣ监测与控制系统:通过自主开发设计
监控程序ꎬ用于监测减阻工作介质和循环冷却水的

油气田开发中湍流减阻剂及其应用研究进展

理，重点综述了
在油气田开发的应用研究展，并展
了纳米材在
中的应用前，+# 国
油气田开发
的研发与应用提供。
1湍流减阻剂研究进展
1.4减阻剂类型
前，油气田开发中用的
面
大类。
5要 I
收稿日期0024-09N0 修改稿日期：2O2OC4C3 基金项* ：国家自然科学基金(51874330)；山东省自然科学基金(ZR2018MEE014) 作者简介：司晓冬(590-),男，河南商丘人，在读博士生，师从李明忠教授，研究方向为油田化学和储层改造新材料。电
国非常规油气的开发
。在:&
裂用面
、
L
存
等—;， ‘ 国
的分子链
，能吸收
，动 ?6 ，
低 &，
研究人续攻关，已在压裂
备及应用方
面了大 1。
•等［24］备了 H
分子链发生断裂,会弱化
。
甚至完全
，当其浓 0.45%时，减阻率为55% ,同适当提高。孟磊淳研发了一种疏纟帝
规滑
，其率高达75.5%,携
、与其加剂
( @” ) ”
8不?(@， <H
} 的与研.， *
+Z
理的等方面仍需要
攻关与。
12湍流减阻特性
动极不规则,加剧了耗散, 町流 q ， i klm、等'0 '
等。 S 在
动
{
3
,但并非流动雷诺数越大越好,存在
数
的
率!高，
临界雷诺临雷
p，数\>?
”、@
(3)776]。

减阻流动控制技术

减阻流动控制技术1. 引言减阻流动控制技术是一种应用于流体力学领域的技术，旨在降低流体在管道、船舶、飞行器等载体上的阻力，以提高其运行效率和性能。

减阻流动控制技术在工程实践中具有广泛的应用前景，可以为各个领域带来巨大的经济和环境效益。

2. 减阻流动控制技术的原理减阻流动控制技术主要通过改变流体的运动状态、调整流体与载体之间的相互作用以及优化载体表面形态等方式来降低阻力。

具体原理如下：2.1 流体运动状态调整通过改变流体的速度分布、湍流强度和涡旋结构等参数，可以有效地减少阻力。

常见的方法包括增加局部速度、改变湍流结构等。

2.2 流体与载体相互作用调整通过改变载体表面形态或添加特殊结构，可以使得流体在与载体接触时产生更小的摩擦力和压力损失，从而降低阻力。

常见的方法包括表面涂层、纹理结构等。

2.3 载体表面形态优化通过优化载体的几何形状和表面特性，可以使得流体在载体表面上的流动更加顺畅，减少阻力。

常见的方法包括减小载体横截面积、改变载体曲率等。

3. 减阻流动控制技术的应用领域减阻流动控制技术在各个领域都有广泛的应用，下面介绍其中几个典型领域：3.1 管道输送在石油、天然气等管道输送系统中，采用减阻流动控制技术可以降低管道摩擦阻力和能量损失，提高输送效率。

常见的方法包括添加内部涂层、优化管道弯头设计等。

3.2 船舶运输在船舶设计中，采用减阻流动控制技术可以降低船舶在水中的阻力，提高速度和燃油利用率。

常见的方法包括优化船体外形、增加尾迹管理装置等。

3.3 飞行器设计在飞行器设计中，采用减阻流动控制技术可以降低飞行阻力，提高飞行速度和燃油效率。

常见的方法包括优化机翼形状、控制尾迹产生等。

3.4 汽车工程在汽车工程中，采用减阻流动控制技术可以降低汽车在行驶过程中的空气阻力，提高燃油经济性和稳定性。

常见的方法包括优化车身外形、增加空气动力学装置等。

4. 减阻流动控制技术的发展趋势随着科学技术的不断进步和应用需求的不断增长，减阻流动控制技术也在不断发展。

湍流降阻应用实例

湍流降阻湍流减阻技术有泥沙减阻[ 1]、微汽泡及吹气和吸气减阻[ 2,3]、聚合物减阻[ 4]、涂层减阻[ 5]、磁减阻[6]、仿生非光滑减阻[7-12]等, 这些技术主要是控制边界层内的湍流结构, 特别是拟序结构, 从而达到控制湍流动能损耗, 实现减阻目的。

仿生学研究发现鱼类等水生动物和有翼昆虫等飞行动物经历了近亿年进化过程, 形成了一种满足自身生存需要的非光滑减阻表面。

如Reif 教授在研究40 多种不同生长阶段的鲨鱼后, 发现当鲨鱼快速游动时, 表皮上有精细间隔的鳞脊, 鳞脊间有圆谷, 鳞脊的排列基本上与流动方向平行, Reif 认为, 鲨鱼皮上的鳞脊可以使边界层稳定, 减小快速游动阻力[9]。

受此启发, 用仿生非光滑技术改变近壁区流场, 减小壁面摩擦阻力, 不会给使用体带来附加设备、额外能量消耗和污染物, 仅改变壁面形状就达到减阻效果,在各种减阻技术中被认为是最有前途的方法。

图1 为三角形、扇贝形和刀刃形三种仿生非光滑沟槽形状参数示意图, 其中s = 0. 1mm, h =0. 05mm, 刀刃形沟槽刃宽t = 0. 2 × h 。

三种模型在相同的计算域中模拟, 将光滑表面与沟槽表面置于同一流场中, 便于结果对比, 减小计算误差。

先在ANSYS 中建立几何模型, 对其进行离散化, 再将离散单元导入GAMBIT 中, 进行网格平滑处理和区域划分, 最后将网格导入FLU ENT 中进行计算及结果显示。

为了便于观察流场运动情况, 沿流向布置8 个沟槽。

三角形和扇贝形用六面体网格离散, 刀刃形用三角形网格离散。

流向均匀划分40 个网格点, 垂向不等间距划分40 个网格点, 中心处网格最稀, 从中心向两边网格间距以0.25 倍等比速度减小, 沟槽表面划分变尺寸网格, 沟槽网格密度在谷底最稀, 谷顶最密, 网格间距从谷顶到谷底以0. 5 等比速度减小。

三种情况下沟槽表面所划分的网格密度相同, 并等于光滑表面。

微小气泡及行波洛仑兹力作用下槽道湍流减阻的数值研究的开题报告

微小气泡及行波洛仑兹力作用下槽道湍流减阻的数值研究的开题报告研究背景和意义槽道湍流的减阻一直是流体力学领域的重要研究课题之一，因为槽道湍流中的摩擦阻力占据了总阻力的很大比例，如何减小槽道湍流的摩擦阻力，提高流体运动的效率，对于实际工程应用有着重要的意义。

目前，减少槽道湍流摩擦阻力的方法主要有两类：一是采用粗糙壁面，如鲨鱼鳞片等表面结构，通过稳定湍流边界层，减小摩擦力；二是利用微小气泡或添加界面活性剂等方法，改变液体表面张力或界面特性，来减小摩擦阻力。

本文主要研究的是第二种方法，即利用微小气泡降低槽道湍流的摩擦阻力。

微小气泡的大小一般在10微米以下，可以被认为是球形粒子，当它们被加入液体中时，会在流体中形成一种特殊的运动状态，即微小气泡的轨迹会对周围流场产生影响，从而改变流体的特性，可使摩擦阻力降低。

另外，行波洛伦兹力也是一种可以用来减小槽道摩擦阻力的方法。

通过在槽道中施加合适的电流和磁场，可以产生行波洛伦兹力，使流体在横向方向上产生交错运动，从而减小流阻。

因此，本研究旨在通过数值模拟的方法，探究微小气泡和行波洛伦兹力对槽道湍流减阻的作用机理和效果。

研究内容和方法本研究将使用开源的LES（Large Eddy Simulation）代码 OpenFOAM 来模拟槽道湍流以及微小气泡和行波洛伦兹力对其的影响。

具体研究内容和方法如下：1. 构建槽道模型并进行网格划分。

通过确定模型尺寸和物理参数（如雷诺数），利用 OpenFOAM 工具进行网格划分并生成网格文件。

2. 进行湍流模拟。

将槽道模型和网格文件导入 OpenFOAM 中，利用其内置的LES 求解器对槽道湍流进行模拟，获取流场数据和涡旋结构等关键信息。

3. 添加微小气泡并计算其轨迹。

将微小气泡的物理属性加入 LES 模拟中，在流体运动过程中计算微小气泡的位置和运动状态。

同时，通过 LES 模拟计算微小气泡对流场的影响，分析其对摩擦阻力的减小作用。

工程流体力学中的湍流流动与阻力降的关系

工程流体力学中的湍流流动与阻力降的关系湍流是一种流体力学现象，它在工程领域中经常会出现。

湍流的产生会导致流体的流动更加复杂和不稳定，同时也会引起阻力的增加。

因此，了解湍流流动与阻力降之间的关系对于工程设计和优化具有重要意义。

湍流是指流体在高速运动过程中发生的流动不稳定性现象。

相对于层流流动而言，湍流流动具有更大的速度梯度、涡旋和涡流结构。

湍流流动产生的原因主要是由于流体速度的不均匀分布和流动的非线性特性。

在工程流体力学中，湍流流动的主要表现为流动阻力的增大和能量的损失。

工程中一个重要的参数，涉及湍流流动与阻力降之间的关系，是雷诺数（Reynolds number）。

雷诺数是表示流体流动性质的无量纲参数，它与流体的速度、流动性质和流动区域的尺度有关。

具体计算雷诺数的公式为Re = ρvL/μ，其中ρ为流体的密度，v为流体的速度，L为流动区域的尺度，μ为流体的动力粘度。

当雷诺数较大时，即流体的惯性力占主导地位，就会出现湍流流动。

湍流流动与阻力降的关系受到众多因素的影响。

其中，湍流流动的能量耗散率和表面粗糙度是影响阻力降的主要因素之一。

湍流的形成和维持需要耗散能量，而这种能量耗散主要是通过内摩擦来实现的。

表面粗糙度会增加流体与固体界面的摩擦，从而增加了湍流的能量耗散率，导致阻力的增加。

此外，流体的速度剖面也会影响湍流流动与阻力降的关系。

在一般情况下，流体速度在流动区域内会发生变化。

当速度剖面变化较大时，湍流的发生和维持更为容易，从而阻力降也会相应增大。

因此，在工程设计中，需要合理的速度剖面分布来控制湍流的产生，以达到减小阻力降的目的。

此外，湍流流动与阻力降的关系还与流动的条件有关。

例如，在管道流动中，湍流的临界雷诺数与管道的直径和粗糙度有关。

当雷诺数超过临界值时，就会发生湍流现象，此时流体的阻力降会明显增大。

因此，在工程设计中需要合理地选择管道尺寸和表面处理方式，以控制湍流流动和减小阻力降。

总之，工程流体力学中的湍流流动与阻力降密切相关。

第九章工程湍流及其应用

湍流场可看成是统计平均场和随机脉动场的叠加，即每一点的瞬时物理量看成是平均值和脉动值之和。
u
o
t0
T
Dt
t
时均值定义：
几何意义: u ~t 曲线和t轴所围面积的平均高度，
瞬时速度
平均速度
脉动速度
湍流描述
脉动值的均值为零：
脉动值：
乘积的均值非零：
湍流的脉动运动总是三维的。湍流脉动量的大小：（以平均速度为U的均匀湍流为例)
当流动为不可压，不考虑用户自定义的源项时
标准模型的控制方程组
控制方程一般包括连续性方程、动量方程、能量方程、k方程、方程与湍动粘度
通用形式：
标准模型方程的解法及适用性
适用性： 1.模型中有关的系数,主要是根据一些特殊条件下的实验结果确定的。 2.充分发展的湍流模型，Re数较高的情况。 3.应用广泛，但用于强旋流、弯曲壁面流动或弯曲流线流动时会产生失真。
大涡的运动方程
LES的控制方程是对Navier-Stokes方程在波数空间或者物理空间进行过滤得到的。过滤的过程是去掉比过滤宽度或者给定物理宽度小的涡旋，从而得到大涡旋的控制方程。
亚格子尺度模型
由于LES中亚网格应力项是未知的，并且需要模拟以封闭方程。目前，采用比较多的亚网格模型为涡旋粘性模型，形式为：
二 Realizable 模型
其中：
特点：
湍动粘度计算公式发生了变化，引入与旋转和曲率有关的内容。方程的产生项不再包含k方程的产生项，更好表示了光谱的能量转换。有效运用与不同类型流动模拟，包括旋转均匀剪切流、包含射流和混合流的自由流动、管道内流动、边界层流动，以及带有分离的流动。
计算结果
算例二：圆柱绕流
wall

减阻现象的发现和技术发展

减阻现象的发现和技术发展在流体中加入少量高分子聚合物，能在湍流状态下降低流动阻力，这种现象称为高聚物减阻，加入其中用于降低流体流动阻力的化学添加剂称为减阻剂(drag reduction agent)，简称DRA。

减阻剂是一种分子量大于百万以上的线性结构的柔性高分子聚合物，在流体中加入了少量这样的聚合物，就会使输量增加，阻力减少。

运用添加减阻剂的方法进行流体减阻是众多减阻技术种类中应用最多的方法。

高聚物的湍流减阻是非牛顿流动所有异常现象中具有技术经济及科学意义的现象之一。

对高聚物减阻的研究，有很高的经济价值，对国民经济和国防建设有着重要的作用。

在工业部门大量应用的管道系统中，减小摩阻，就可以大大降低运行动力的消耗。

在管道输送原油和成品油的应用，减少长输送管道的中间泵站，缩短码头的卸油时间，提高工作效率。

至今，减阻现象的研究已成为一门涉及到流体力学、流变学、高分子化学和高分子溶液的新的边缘学科，减阻现象在工程中的应用也形成一门独特的综合性工程科学。

经过近30年的研究与应用实践，美国的ARCO石油公司、德国的BASF公司等都相继开发出了性能更好、成本更低的减阻剂，减阻应用技术也得到相应的发展。

这些，都促使世界上许多原油、成品油管道采用这一技术以提高现有管道得输送能力，并且取得了可观的经济效益。

例如，中东地区一条直径为1000nma的原油输送管道，最大输量为12．4万m3／d。

油田产量增加后，需要扩大管道输送能力。

经过进行修建复线和采取加减阻剂两种增输方案的经济论证后，决定并采用了注入减阻剂减小管道摩阻压降，同时更换大排量离心输油泵的方法，在保证管输压力不大于管道最大工作压力的前提下，成功地使管道输量从12．4万m3／d增加到15．9万m3／d。

美国墨西哥海湾一条直径为250ram的海底原油管道。

在加入减阻剂后，使管道最大输量从6000万m3／d增加到8500万m3／d，取得极大的经济效益。

1980年初，浙江大学开始研制用于油品中的油溶性减阻剂，并于1984年合成出采用乙烯——丙烯共聚而成的高分子聚合物。

湍流减阻技术综述

湍流减阻技术综述作者：孙怡馨来源：《中国科技纵横》2018年第03期摘要：当前湍流边界层减阻技术受到广泛关注，本文针对肋条减阻、聚合物添加剂减阻、壁面振动减阻三种湍流减阻技术进行了综述，内容涉及来源、减阻机理、影响减阻因素及工程应用，同时分析了三种减阻技术的局限性。

此外，对其他减阻技术和联合减阻技术也进行了介绍。

关键词：湍流边界层；减阻；减阻机理中图分类号：V211.19 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）03-0040-02随着能源消耗的不断增加，如何有效地节约能源成为人们追求的目标，解决这类问题的途径之一是在流体机械表面尽量减小壁面摩擦阻力。

在水下运动的潜艇摩擦阻力可达总阻力的70%；在管道运输领域流体运动的阻力几乎全是表面摩擦阻力，由于这些流体机械所处的流动状态大部分为湍流，因此针对湍流减阻技术的研究意义重大，20世纪70年代阿拉伯石油禁运危机导致的原油价格上涨更是激起了人们对湍流减阻技术研究的热潮。

经过40多年的发展，特别是湍流理论的丰富和完善，使得人们对于湍流减阻机理有了更为清晰的认识，部分减阻技术也进入了实际的工程应用阶段，取得了较好的经济效益。

本文主要针对肋条减阻技术、聚合物添加剂减阻技术、壁面振动减阻技术以及其他减阻技术的研究进展进行介绍。

1 肋条减阻技术20世纪60年代之前研究人员普遍认为物体表面越光滑，其阻力越小，因此针对减阻的研究工作还集中在如何减少接触面粗糙程度上。

20世纪70年代美国NASA兰利研究中心发现，在光滑表面加工顺流向的微小沟槽（肋条）能有效地降低壁面摩擦阻力，研究人员将这种减阻技术称为肋条（Riblet）减阻技术。

这一发现彻底打破了过去的思维方式，肋条的形状、高度、间距与减阻效果的关系成为新的研究对象。

壁面附近流向涡的展向运动是导致阻力的主要原因之一，肋条可以有效抑制流向涡的生成，从而形成减阻效果。

肋条形状不同，其减阻效果也有较大区别，最常研究的肋条结构主要有三角形（V形）肋条，扇贝形（U形）肋条、梯形肋条和刀刃形肋条[1]。

工程流体力学中的湍流模拟及其应用研究

工程流体力学中的湍流模拟及其应用研究工程流体力学是研究流体在工程领域中的流动规律及其相关现象的学科。

在许多实际的工程问题中，流体的湍流现象是不可避免的，因此湍流模拟成为了工程流体力学研究的重要内容之一。

本文将介绍湍流模拟的基本原理和方法，并探讨湍流模拟在工程实践中的应用。

湍流是流体中的一种复杂流动形态，具有不规则的、无序的速度和压力分布。

湍流在许多领域中都具有重要的影响，如工程领域中的流体传热、流动阻力和混合等问题。

因此，准确地模拟湍流现象对于工程问题的解决至关重要。

湍流模拟的基本原理是基于雷诺平均N-S方程（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, RANS）或直接数值模拟（Direct Numerical Simulation, DNS）。

RANS适用于大规模的湍流现象，通过将流动量进行平均来获得平均流场，然后通过求解雷诺应力来模拟湍流现象。

DNS则直接模拟湍流的所有尺度，包括小尺度涡旋的生成与衰减，因此适用于小规模湍流现象的研究。

目前，湍流模拟方法主要包括传统的雷诺平均湍流模拟（Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS）和大涡模拟（Large Eddy Simulation, LES）两种。

RANS方法通过平均流动量来求解雷诺应力方程，适用于工程尺度的湍流现象。

LES方法则通过直接模拟大尺度涡旋，通过滤波将小尺度涡旋建模并求解，适用于小尺度的湍流现象。

在湍流模拟的应用研究中，有几个重要的方向和挑战。

首先，湍流模拟需要考虑多物理场的相互作用，如流动中的传热、化学反应和颗粒悬浮物等，这对于模拟的精确度和计算量都提出了要求。

其次，湍流模拟需要考虑不同尺度的涡旋相互作用，这对于模拟方法和算法的选择至关重要。

另外，湍流模拟需要考虑流动的边界条件和初始条件的准确确定，以保证模拟结果的可靠性和准确性。

湍流模拟在工程实践中有广泛的应用。

湍流模式在工程中的应用

食品工程原理论文工程湍流模式的开发及其应用姓名:曹文梁班级、年级: 10 级食品班专业: 食品科学与工程工程湍流模式的开发及其应用引言：湍流运动的形态普通存在于大气、海洋、化学、生物、电学、声学等问题中.湍流是对空间不规则和对时间无秩序的一种非线性、多尺度的流体运动,这种运动与不规则的流动边界一起产生了非常复杂的流动状态.多年来国内外的许多研究者从不同角度对它们的机理进行了研究,诸如:混沌、分形、重整化群的方法;切变湍流的拟序结构、湍流大涡模拟、直接数值模拟等.这些湍流理论,概念及机理清晰,但由于所解的偏微分方程组过于庞大、复杂,所以距解决工程中实际问题为期甚远.所以,工程上最常用的方法仍然是各种湍流模型.故研究湍流对工业有不可忽视的作用。

摘要:湍流是空间上不规则和时间上无秩序的一种非线性的流体运动,这种运动表现出非常复杂的流动状态百余年来,世界上不少学者为了探索其中奥秘,化费了巨大精力,创造了一些实际可用的湍流模式理论和湍流统计理论为了对自然界中普遍存在的湍流运动的机理和规律进行研究,使之在工程实践中得到应用。

工程湍流模式是非常实用而且有效的方法,本文总结了几种工程湍流模式,以及这些模式在冷却水工程、环境工程和铸件充型过程数值模拟中的应用。

关键词:工程湍流模式、应用、铸件充型、数值模拟正文：湍流模型名称繁多,一般可进行如下的分类:(1)按发展历史来分,有零方程模式(混合长度模式),主要用于模拟射流、边界层流动、管流等简单流动;单方程模式(k方程模式),主要解决剪切层问题;双方程模式(k-模式),可用于平面射流、平壁边界层、管流、通道流、喷管内流动、无旋和弱旋的二维和三维回流流动;雷诺应力模式能准确地计算各向异性效应,如浮力效应、旋转效应等.(2)按湍流流动特征来分有:射流与羽流、分离流、回流、环流、旋流、温差异重流、泥沙异重流、两相及多相流等湍流模式.(3)根据流体运动的特点来分有:近区湍流模型、远区湍流模型、全场湍流模型等.(4)按所应用的工程领域有:生态、环境、化工、能源、水利水电、航空航天等湍流模型.本文首先介绍倪浩清等近年开发并经实际运用的几种工程湍流模型,最后着重介绍最新的深度平均的代数应力湍流全场新模式(DASM).一、湍浮力回流模型在明渠温差异重流中的应用1、在对浅水明渠温差异重流流动特点及界面掺混规律分析的基础上,对k-双方程模式中考虑了浮力及密度变化,在Reynolds动量方程中浮力项成为方程中浮力项成为:程中的浮力项成为: 经多次检验计算, 方程计及浮力项效果不甚显著,至于湍流的Prantal数则由如下的经验公式加以修正: 作此修正后,计算的温度分布与实验资料符合良好.成功地模拟了温差异重流形成和消失过程.2、代数应力模型在各向异性湍浮力回流中的应用在Chen和Rodi对湍浮力回流代数应力模式简化的基础上,考虑水平射流原因,进一步提出了的假定.如果仍然使用湍流动力粘性系数的概念来表达应力,则由和的代数联立求解得式中:也可以写成规定其中不再是常数,而是等的函数. 类似地,由的代数式联立求解得:式中: 通过上述假定、模拟和简化,取得了具有通用常数的湍浮力回流应力代数模型,此模型能较好地反映温跃层这类各向异性的湍流流动现象,特别是对分层流的产生、发展与消失的研究具有重大意义.该模式计算简单易行,是一种较为实用的模式.3、深度平均的湍流全场模型在大水域冷却池中的应用倪浩清等提出的深度平均的k-双方程湍流全场模式,突破了List.E.J.,Jirka.G.H.,Hossian.M.S.,Rodi.W.,等所研究的近区模式界限.其基本思想是计及速度、温度垂向分布不均匀影响的流散效应,更全面地建立了模拟热水或污染物注入大水体中掺混、扩散和输移的全场模式.对陡河电厂大水域冷却池的实例模拟计算结果,与原体、物理模型观测资料相当一致。

湍流减阻的意义及工程应用

湍流减阻的意义及工程应用摘要：伴随着世界性能源危机的逐渐加剧，节能减排已经成为大势所趋，在能源运输的过程之中，摩擦阻力是主要的耗能来源，所以研究湍流减阻意义十分的重大。

为此本文将对于湍流减阻的意义及工程应用展开有关的论述。

本文首先论述了推流减租的意义，之后详细的论述了其工程上面的应用。

含有肋条、柔顺壁、聚合物添加剂、微气泡、仿生减阻、壁面振动等主要湍流减阻技术最近的研究成果和应用现状，并着重强调了各自的减阻机理。

关键词：能源危机湍流减阻减阻机理引言伴随着全球能源消耗的不断提升，科学家门已经将越来越多的警力投入到如何有效的利用与保护能源领域上面。

车辆、飞机以及船舶、油气长输管道的数量快速的增加，所以设法减少这些运输工具表面的摩擦阻力，成为人们研究发展节约能源的新技术含有的突破点[1]。

1湍流减阻的意义节约能源消耗是人类一直追求的目标，其主要的途径就是在各种运输工具设计之中，尽可能的减少表面的摩擦阻力。

表面摩擦阻力在运输工具总阻力之中占据很大的比例，在这些运输工具表面的发部分区域，流动都是处于湍流的状态，所以研究推流边界层减租意义十分的重大，已经引起广泛的重视，同时已经被NASA列为21实际航空关键技术之一[2]。

有关减租问题的研究可以追溯到上世纪的30年代，不过一直到上世纪的60年代中期，研究工作主要围绕减小表面的粗糙程度，隐含的假设光滑表面的阻力最小。

到了70年代，阿拉伯石油禁运由此引发的燃油价格上涨激起了持续至今的推流减租研究与应用潮流，经过多年的发展，尤其是湍流理论的发展，使得湍流减阻理论与应用都是取得了突破性的进展[3]。

2湍流减阻的工程应用2.1肋条减阻20世纪70年代，NASA研究中心发现具有顺流向微小肋条的表面可以有效的降低臂面的摩擦阻力，从而突破了表面越光滑阻力越小的传统思维模式，肋条减阻成为湍流减阻技术研究热点[6]。

最近几年，为了最大限度的实现减租，人们对于肋条进行了很多的实验与应用优化设计[7]。

流体流动减阻终稿

流体流动减阻技术综述Xx（能源科学与工程学院，热能工程系）摘要：目前, 对于流动减阻的相关研究和应用越来越多, 许多有效的流动减阻方法得到了广泛的应用。

对于这些方法的减阻机理, 一般认为是通过增加粘性底层的厚度实现减阻的。

其中超疏水表面减阻是当前研究的热点，应用前景十分广阔。

表面浸润性是固体表面重要特性之一，通常采用液滴在表面的接触角大小来衡量，当表面接触角大于 150°时，该表面被称为超疏水表面。

表面微细粗糙结构是获得超疏水表面的关键。

随着微纳米科技的发展，超疏水表面的可控加工成为可能，由于其广阔的应用前景，超疏水表面的浸润性及其应用成为研究的热点。

然而,目前关于流动减阻机理的研究还不是十分成熟, 需要进一步进行研究。

关键词：热能工程；减阻；滑移长度；超疏水表面中图分类号：文献标识码：文章编号：Review of technology on the fluid flow drag reductionJIANG Tao(School of energy science and engineering, Department of thermal engineering)Abstract：“Drag Reduction”is a hotspot research of the hydrodynamics with more and more research work and applica-tions. Many drage reduction methods are used widely, and the mechanism research of these methods are also developing.Generally speaking, the thickening of the viscous sublayer is the main academic reason.In all the methods,The super hydrophobic surface drag reduction is the focus of current research, and has very broad application prospects.The wettability is one of the key features of solid surface, usually the contact angle of droplets on the surface is used to measure wettability, when the contact angle is greater than 150°, this surface is called super-hydrophobic surface.the microstructure on the surface is the key factor to get superhydrophobic surface. With the development of microprocessing technology, man-made superhydrophobic surface is possible. Because of its broad application, the wettability and application of superhydrophobic surface become a hot research.But the research work of the drag reduction is not so mature, need more further development.Key words：thermal engineering;drag reduction; slip length;super hydrophobic surface0 引言能源问题一直以来都受到世界各国的重视，实际工程里到处可以看到换热和流动的问题，如化工、石油、动力以及航空、航天、核能等工业部门。

湍流减阻效应

湍流减阻效应
湍流减阻效应是指在流体中存在湍流时，与层流相比，流体的阻力会减小的现象。

湍流是指流体在运动中出现的混乱、旋转和随机变动的状态，而层流是指流体在运动中保持有序、平行流动的状态。

湍流减阻效应的产生主要是由于湍流流动中的涡旋结构会导致流体流动的压力分布变得不规则。

在层流流动中，流体的速度沿着流向是平衡的，而在湍流中，涡旋的存在使得局部速度增加，从而导致了较低的平均流速。

由于涡旋的存在，湍流流动中的阻力主要由动能损失和摩擦产生的粘性阻力组成。

因此，相同流量条件下的湍流流动的阻力比层流流动的阻力要小。

在实际应用中，湍流减阻效应可以用于减少车辆、船舶、飞机等运动体的阻力，提高运动体的速度和效率。

例如，在汽车设计中，流线型外形的设计可以减小湍流的产生，从而减小阻力，提高燃油效率。

流体力学中的湍流衰减模拟

流体力学中的湍流衰减模拟摘要湍流是流体运动中普遍存在的一种现象，它不仅具有复杂的流动结构，还会带来能量损失和噪声。

因此，研究湍流的衰减机制对于流体力学领域具有重要意义。

本文旨在探讨流体力学中的湍流衰减模拟方法，详细介绍了湍流生成机制、湍流衰减模拟的数学模型以及常用的计算方法和工具。

通过对湍流衰减模拟的研究，可以更好地理解湍流的本质，同时为湍流控制和优化提供理论基础和技术支持。

1. 研究背景湍流是流体运动中非常普遍的现象，无论是自然界还是工程领域，都会遇到湍流的存在。

湍流流动具有复杂的流动结构、能量损失和噪声等问题，给流体力学研究和工程应用带来了许多挑战。

为了更好地理解湍流的本质和机制，人们通过模拟和实验方法进行研究，其中湍流衰减模拟是重要的研究内容之一。

2. 湍流生成机制湍流的生成机制主要包括流动不稳定性和能量耗散。

流体运动过程中，如果满足一定的条件，就会发生流动不稳定性，从而引发湍流的生成。

而能量耗散是湍流运动中的一个重要特征，能量会沿着流动方向逐渐耗散，从而减小湍流的强度。

3. 湍流衰减模拟的数学模型湍流衰减模拟的数学模型是基于流体力学的基本方程组，通过对流体运动中的流速场和压力场进行求解，揭示湍流的演化规律。

湍流衰减模拟的数学模型涉及到众多物理和数学概念，其中包括雷诺应力模型、湍流能量方程和湍流模型等。

4. 湍流衰减模拟的计算方法和工具湍流衰减模拟的计算方法和工具主要包括直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均湍流模拟（RANS）。

这些方法各具优势和适用范围，可以通过数值求解或实验手段进行模拟和分析。

5. 湍流衰减模拟在工程应用中的意义湍流衰减模拟在工程应用中具有重要意义。

通过模拟湍流的衰减过程，可以分析和评估流体系统的性能，优化系统设计，减少能耗和噪音。

例如，在风电场的风机叶片设计中，湍流衰减模拟可以帮助优化叶片形状，减小湍流对叶片的影响，提高发电效率。

6. 结论湍流衰减模拟是流体力学研究中的重要内容，对于理解湍流的本质和机制，提高流体系统的性能具有重要意义。

减阻设计在流体力学中的应用

减阻设计在流体力学中的应用流体力学作为一门研究流体流动规律和性质的基础学科，其应用领域非常广泛。

而减阻设计正是流体力学应用的重要领域之一。

从汽车、飞机、船舶到水利工程、环境工程、能源工程等方面，都有着广泛的减阻设计应用。

那么，什么是减阻设计？减阻设计在流体力学中有哪些应用呢？一、减阻设计的含义在流体流动中，为了使流体流动更加稳定和顺畅，减少能量损失和流体阻力，提高系统的运行效率，就需要进行减阻设计。

减阻设计的目的是通过改变流体的运动状态和形态，减轻和消除流体的摩擦阻力和波浪阻力，降低能量损失和水平阻力，提高系统的运行效率。

二、减阻设计的应用1.船舶减阻设计船舶的阻力主要由形状阻力、光滑阻力和波浪阻力组成。

光滑阻力和形状阻力都是由船体表面的摩擦产生的，而波浪阻力是由船舶航行时波浪所产生的阻力。

因此，为了减少船舶的阻力，需要根据不同的船形和运行条件，采用不同的减阻方法。

其中，表面光洁度、船体形状和推进器优化是减少船舶水阻最为有效的方法。

减小船身的长度和宽度比例、减小表面的横向角等都可以减小船体的阻力。

2.飞机减阻设计飞机飞行时，主要受到空气阻力和重力的作用。

空气阻力主要由飞机表面与周围空气的摩擦和气动阻力产生的，而气动阻力又可分为压力阻力和摩擦阻力。

因此，为了减小飞机的阻力，需要采取降低气动阻力和减少摩擦阻力的方法。

包括改进机身外形、翼型设计、减小机翼面积等。

3.汽车减阻设计汽车行驶时，涉及到复杂的摩擦和气动阻力。

为了减少汽车的阻力，有很多方法可以采用。

例如设计底部封板、立体尾翼、风阻减少车身造型和优化车轮等。

同时，汽车也可以采用喷气或风扰等方式来减轻空气阻力，提高汽车行驶的效率与经济性。

4.工程减阻设计在水利工程、环境工程、能源工程等众多领域，减阻设计都非常重要。

比如在水利工程中，通过改变水体流动的状态和形态，减轻水流的阻力，实现对水利工程的优化和升级。

而在工程模拟中，减阻设计可以大大提高计算精度，为工程设计提供更准确的数据支持。