湍流减阻意义与工程应用
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。
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。
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。
集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价
集中供热系统中应用湍流减阻剂的节能减排综合性能评价王开亭;李小斌;张红娜;刘糁;曲凯阳;李凤臣
【期刊名称】《综合智慧能源》
【年(卷),期】2022(44)9
【摘要】对热电联产供热、太阳能供热、风能供热等不同供热系统的发展以及技术应用现状进行了回顾,以不同集中供热系统为例,对假想在系统中添加湍流减阻剂后的节能减排效果进行了评价,并筛选出适用于不同供热系统的湍流减阻剂。
结果表明,假想添加合适的湍流减阻剂后,1个供热面积为100万m2、供暖季长150 d 的供热系统可减少经济损失约29.4万元,节省标准煤587.2 t,减少二氧化碳排放1409.8 t;若在全国集中供热系统中普及添加减阻剂,1个供热季可节省标准煤5.7 Mt,减少经济损失约28.8亿元,减少二氧化碳排放约14 Mt。
这些数据表明集中供热系统中湍流减阻剂的应用能够产生显著节能减排效果和巨大经济效益。
【总页数】11页(P40-50)
【作者】王开亭;李小斌;张红娜;刘糁;曲凯阳;李凤臣
【作者单位】天津大学中低温热能高效利用教育部重点实验室;北京京能恒星能源科技有限公司;中国建筑科学研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TK01
【相关文献】
1.集中供热系统中的节能减排探讨
2.表面活性剂减阻剂在集中供热系统中的应用试验研究
3.集中供热系统中的节能减排探讨
4.集中供热系统中的节能减排探讨
5.油气田开发中湍流减阻剂及其应用研究进展
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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
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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
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12湍流减阻特性
动极不规则,加剧了 耗散, 町流 q ， i klm、 等'0 '
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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。
流体力学中的湍流控制与减阻技术
流体力学中的湍流控制与减阻技术导言湍流是流体力学研究中的一个重要领域。
湍流的产生会导致能量和动量的损失，增加阻力，降低流体的效率。
因此，湍流控制与减阻技术成为了科学家和工程师们的关注焦点。
本文将探讨流体力学中的湍流控制与减阻技术。
一、湍流的产生和特性湍流是液体或气体流动时不规则流线和速度分布的现象。
它有着复杂的流动结构和高度非线性的特点。
湍流的产生与流动的雷诺数有关，当雷诺数大于一定临界值时，流动会从层流转变为湍流。
湍流具有三个主要特性：不稳定性、二次流和湍流涡。
首先，湍流是不稳定的，其流动状态无法预测。
其次，湍流中存在二次流，即流体中不同速度的区域交替出现。
最后，湍流具有湍流涡结构，这是湍流动力学中的基本组织单元。
二、湍流控制的基本原理湍流控制是通过改变流场中的参数或施加外部干扰来抑制湍流的发展和减小湍流的强度。
其基本原理包括传统控制方法和现代控制方法。
1. 传统控制方法传统控制方法主要包括表面特性改善和流体干扰两种方式。
表面特性改善通过涂覆特殊材料或组织表面微结构，以减小摩擦和湍流强度。
流体干扰则是通过向流场中注入流体或施加外部激励来改变流动的条件和特性。
2. 现代控制方法现代控制方法主要基于数值模拟和实验分析的结果，通过改变流场的初始条件或施加控制器来控制湍流。
例如，使用微小的振动装置或周期性施加的强制摄动器，可以在流场中引入不规则性，从而抑制湍流的发展。
三、湍流控制技术的应用湍流控制技术在诸多领域具有广泛的应用，包括航空、船舶、汽车、能源等。
1. 航空领域在航空领域，湍流控制技术的应用可以降低飞机的阻力，在起降和巡航阶段提高燃油效率。
例如，使用刺激微气囊的机翼表面，可以改变翼面的几何形态，减小阻力。
2. 汽车领域在汽车领域，湍流控制技术可以降低车辆行驶时的湍流阻力，提高燃油利用率。
例如，通过设计车辆底部的通风系统，可以改善流场的流动性，减小底部的气压，降低阻力。
3. 能源领域在能源领域，湍流控制技术主要应用于水力发电和风力发电。
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
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]。
水下湍流减阻途径分析_胡海豹
δuτ υ
.这
一
区域为
黏性
顶层 (或称间歇湍流层 ), 黏性顶层是从边界层中的
湍流到外部非湍流的过渡层 .该层中由于湍流脉动
引起外部非湍流不断进入边界层而发生相互混杂 ,
使湍流强度显著削弱 , 加上湍流脉动的随机性变化 ,
导致在同一空间点上的流体质点有时是湍流流动有
时又是非湍流流动 .
1.2 近壁区湍流猝发过程
第 6期
胡海豹 , 等 :水下湍流减阻途径分析
6 21
流流动至今 , 人类一直未能完全认识湍流的物理本 质 , 建立起 1套完善的湍流数学模型 .与层流流动不 同 , 湍流流动中的流场参数均随时间而发生随机的 不规则脉动 (如图 1为作者在一小型低速风洞中测
Fig.1 Instantaneousvelocityfluctuation ofsteadyturbulence
层称为黏性底层 , 该层内切应力主要为黏性应力 , 该
层内流速分布服从线性分布 . (2)5 ～ 10 <y+≤30 ～ 70.该区域称为过渡层 ,
是黏性底层到对数律层之间的缓冲层 .该层是湍流
能量产生和耗散的最重要区域 , 但不是从层流到湍
流的过渡区 .在该区域中流动的动量输运过程从黏
性力占势过渡到对流过程占优势 .目前该区的流速
结束了有秩序的振荡 , 如图 6所示 .
第 30卷
Fig.3 Thelow-speedstreaksshowingwith hydrogenbubbletechnique
图 3 氢气泡试验中显示的低速流带
(2)低速流带上升阶段 .在 y+不大于 10的区域 内 , 低速流带经一段路程的缓慢顺流而下后 , 开始离 开壁面上升 ;当达到离壁面一定高度 (y+约为 10) 时 , 突然急剧上升 , 同时向下游运动 .由于这一过程 将低动量流体带离了壁面 , 因此在瞬时速度分布曲 线上便形成 1个带拐折的凹坑 , 如图 4所示 .
高分子湍流减阻及其应用进展
高分子湍流减阻及其应用进展
张昕;代晓东;刘飞;李雷;辛艳萍;刘坤;杜以华;于睿
【期刊名称】《天然气与石油》
【年(卷),期】2022(40)2
【摘要】高分子湍流减阻现象的发现距今已有七十余年,但还有许多关于高分子湍流减阻及降解方面的问题没有彻底解决。
为总结高分子湍流减阻研究现状并展望这一领域未来的研究方向,从高分子湍流减阻的发展历史、实验研究、数值模拟、理论模型和实际应用等方面进行了综述。
在此基础上,提出了抗剪切高分子减阻剂的制备、多相流湍流减阻、高分子减阻与表面减阻的耦合等有价值的高分子湍流减阻研究方向。
【总页数】8页(P38-45)
【作者】张昕;代晓东;刘飞;李雷;辛艳萍;刘坤;杜以华;于睿
【作者单位】山东石油化工学院油气工程学院;东营市俊源石油技术开发有限公司【正文语种】中文
【中图分类】TE8
【相关文献】
1.沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展
2.表面活性剂湍流减阻研究进展
3.高分子减阻流场湍流结构实验研究
4.壁湍流相干结构和减阻控制机理研究进展
5.添加剂湍流减阻的研究进展
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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。
湍流大涡破碎装置的减阻研究_陈强
第13卷第4期 弹 道 学 报 Vol.13No.4 2001年12月 Journal of Ballistics Dec.2001湍流大涡破碎装置的减阻研究＊陈 强 唐登斌 曹起鹏(南京航空航天大学空气动力学系,南京210016)摘要 采用在边界层中引入控制装置的方法进行湍流减阻问题研究.着重研究了对于正确模拟减阻过程至关重要的湍流模型,不同的模型(包括Johnson-King涡粘/雷诺应力封闭模型和对近壁区的低雷诺数流动作修正的k-ε模型)用于NS方程的数值模拟.计算从控制装置的上游开始,其结果更为准确可靠.为得到最佳减阻效果,分析研究了装置的排列和参数的影响,给出了单个装置和并排双装置的典型减阻结果,并和实验数据进行了比较.关键词 减阻,湍流边界层,大涡破碎,湍流模型中图分类号 V211,O357.5飞行器(飞机、导弹等)的减阻技术研究是其设计工作的重要内容,减阻与提高飞行器的性能紧密相关.以湍流为主的表面摩擦阻力在飞行器总阻力中占有很大比重,因此,湍流减阻问题的研究具有特别重要的意义.通常,湍流减阻是通过改变或制约湍流结构和流动状态来达到减少表面摩阻的目的,其中采用大涡破碎(Large Eddy Break-Up,“LEBU”)装置的方法减阻和通过纵向表面微槽的方法减阻是目前各种湍流减阻方法中最为有效的[1-3].采用LEBU减阻是把一种装置(这里为一很小的平板,简称“平片”)沿流向置入到边界层内,通过其切割作用使大涡破裂,改变湍流的生成模式,修正边界层的内层和外层的传输特性,以达到减少表面摩阻的目的.尽管湍流问题极为复杂,给机理研究带来很大困难,但研究结果表明[3],在装置后下游的一定范围内,平均的和脉动的速度型都有明显变化,从而会引起表面摩阻的变化.为避免许多计算是从装置后缘开始而带来的问题[4],本文是从装置上游开始进行全流场计算,并采用了不同的湍流模型.为得到最佳的减阻效果,对LEBU装置的各种不同情况进行的大量计算和详细分析将为该湍流减阻方法的实际应用提供基础.1 控制方程采用时间相关二维不可压Navier-Stokes方程作为控制方程,这里写成用涡量(ω)和流函数(ψ)表达的形式ω/ t=-V·( ω)+v e2ω(1)2ψ=-ω(2)收稿日期:2001-09-28＊ 航空科学基金资助项目(98A52008)式中ω= v / x - u / y(3)V =(u ,v )T =( ψ/ y ,- ψ/ x )T (4)有效粘性系数νe =ν+νt ,ν为运动粘性系数,νt 为湍流涡粘性系数,是湍流脉动应力项-u ′v ′=νtu / y 中的速度梯度的系数,将由湍流模型得到.边界条件(包括在所取矩形计算区域中的上游、下游边界,上边界以及主平面和平片的壁面边界):(1)上游边界,给定流向速度型u (y ),ω1,j =( u / y )1,j ,ψ1,j =∫y 0u (y )d y (5.1)(2)下游边界( ω/ x )I ,j =0,( ψ/ x )I ,j =0(5.2)(3)上边界ωi ,J =0, ψi ,J =ψ1,J(5.3)(4)主平面壁面ψi ,1=0, ωi ,1=-2ψi ,2/(Δy )2(5.4)(5)平片壁面,u =0、v =0ψ=ψd ,ωd (u )=-2(ψd +1-ψd )/(Δy )2,ωd (l )=2(ψd -1-ψd )/(Δy )2(5.5)式中,下标中(u )代表上表面;(l )代表下表面.2 湍流模型2.1 J -K 模型该模型兼有涡粘性模型和雷诺应力模型的一些特性,通过调整所满足的关于最大雷诺应力沿流向变化的常微分方程,能反映一定的上游影响[5],可写成如下形式νt =νt0〔1-ex p (-νt i /νt0)〕(6)νt i =D 2ky (-u ′v ′m )1/2(7)νt0=σ(x )(0.0168u e δ＊i γ)(8)式中:D =1-exp 〔1-u ′v ′m )1/2y /νA +〕;A +=15,γ为Klebanoff 间隙因子,γ=1.0/〔1+5.5(y /δ)6〕;σ(x )通过解下列最大雷诺应力的常微分方程确定(-u ′v ′m )1/2=(-u ′v ′m ,eq )1/2-〔L m u m /a 1(-u ′v ′m )〕d -(u ′v ′m )/d x -L m D m /-(u ′v ′m )(9)这里的下标m 表示在该站上的-u ′v ′取最大值,a 1、L m 为模型参数,-u ′v ′m ,e q 为σ(x )=1时所得到的最大雷诺应力,D m 值由下式给出D m =C dif (-u ′v ′m )1/2|1-σ(x )1/2|/a 1δ〔0.7-(y /δ)m 〕29第4期 陈 强等 湍流大涡破碎装置的减阻研究 2.2 k -ε模型考虑到在近壁区的低雷诺数流动的影响,改进的k -ε两方程湍流模型[6]可写成如下形式k / t + uk / x + vk / y = 〔(νt +ν) k / y 〕/ y +νt (u / y )2-ε-2ν( k / y )2(10) ε/ t + u ε/ x + v ε/ y = 〔(νt +ν) ε/ y 〕/ y +C e1νt (ε/k )( u / y )2-C e2ε2/k -2νt μ( 2u / y 2)2(11)式中k 为湍动能,ε为湍能耗散率,νt =C μk 2/ε.有关系数可写成:C μ=0.09exp 〔2.5/(1+R T /50)〕;C e 1=1.44;C e 2=2〔1-0.3exp (-R 2T )〕;R T =k 2/νε.3 数值方法在所取矩形计算区域中,其内部网格点随(i +j )为偶数或奇数分成二类,给出初始猜值,进行偶—奇循环迭代,包括二大步.(1)辅助步(偶数网格点)ωn +1/2i ,j +1=(ωn i ,j +ωn i +1,j +1+ωn i -1,j +1+ωn i ,j +2)/4-(Δt /8Δx Δy )(ψn i ,j +2-ψn i ,j )(ωn i +1,j +1-ωn i -1,j +1+(Δt /8Δy Δx )(ψn i +1,j +1-ψn i -1,j +1)(ωn i ,j +1-ωn i ,j )-〔Δt /2(Δx 2+Δy 2)〕νe (ωn i -1,j +ωn i -1,j +2+ωn i +1,j +ωn i +1,j +2-4ωn i ,j +1)(12)(ψn +1/2i -1,j +ψn +1/2i -1,j +2+ψn +1/2i +1,j +ψn +1/2i +1,j +2)-4ψn +1/2i ,j +1=(Δx 2+Δy 2)ωn +1/2i ,j +1(13)(2)主步(奇数网格点)ωn +1i ,j =ωn i ,j -(Δt /4Δx Δy )(ψn +1/2i ,j +1-ψn +1/2i ,j -1)(ωn +1/2i +1,j -ωn +1/2i -1,j )+(Δt /4Δy Δx )(ψn +1/2i +1,j -ψn +1/2i -1,j )(ωn +1/2i ,j +1-ωn +1/2i ,j -1)-〔Δt /(Δx 2+Δy 2)〕νe (ωn +1/2i +1,j +1+ωn +1/2i -1,j +1+ωn +1/2i +1,j -1+ωn +1/2i -1,j -1-4ωn +1/2i ,j )(14)(ψn +1i +1,j +1+ψn +1i -1,j +1+ψn +1i +1,j -1+ψn +1i -1,j -1)-4ψn +1i ,j =(Δx 2+Δy 2)ωn +1i ,j (15)这样,可以用高斯消去法求解流函数ψ的矩阵微分方程,进而得到流场的速度分布以及摩阻系数分布.对于湍流模型方程的计算,采用有限差分方法求解k -ε偏微分方程(10)、(11).J -K 模型中的常微分方程(9)用稳式Euler 法求解,为解决该法需要知道上游开始处的雷诺应力分布,可用简单的Cebeci -Smith 代数模型算出该处的u ′v ′m ,再由J -K 模型向下游推进.图1 典型的LEBU 装置及其几何参数4 结果和分析分别研究了单平片和双平片二种典型装置的减阻问题.为便于与实验数据比较,取来流参数:u ∞=24m /s ,ν=1.46×10-5m 2/s ,δ0=0.017m ,平片厚度不计.装置参数见图1,h 是从主平面算起的平片高度,C 是平片弦长,S 为双平片间的距离,δ0为平片前缘处的边界层厚度.30 弹 道 学 报 第13卷(1)单平片装置几何参数,C /δ0=1.2,h /δ0=0.35.平片后的尾迹区中的不同流向位置处的速度型(u /u e )见图2.u e 为平板边界层外的主流速度,图中X d 离开装置后缘的流向距离,由图可见,随着流动向下游推进速度型的亏损将逐步消失.图3给出了相对摩阻系数C f /C f ref 沿流向的变化,C f 、C f ref 分别为有控制器,与无控制器时的壁面摩阻系数.C f /C fref 值在装置后是先逐渐减少,后又逐渐恢复,在装置后的12δ0处达最小值(约92%),而在50δ0处又恢复到96%左右,与实验数据[7]相比,除紧靠平片后缘附近其值略高外,其它基本一致,且最小阻力位置也基本相同.显然,这里采用的湍流模型比一般代数模型能够更好地模拟湍流减阻的过程.图中还给出了采用k -ε湍流模型的计算结果,这个在近壁区作了低雷诺数修正的两方程模型的结果更接近于实验值.图2 装置后的流向速度型图3 相对摩阻沿流向的变化(带单片装置) 图4 装置高度对减阻的影响(单平片)图5 相对摩阻沿流向变化(带双片装置)在边界层中装置的高度h 对减阻有很大的影响见图4.显然,装置高度较低时(即更靠近壁面),其平均减阻效果会更好,由图可见,当h /δ0=0.35时,其减阻效果最佳.(2)双平片装置有关几何参数:C /δ0=1.2,h 1/δ0=0.35,h 2/δ0=0.35,S /δ0=12.这种并列双排的平片装置与单平片装置相比,其减阻作用更突出,见图5.由图可见,最大相对摩阻值能减少到原来值的83%左右.这说明,选择合适的相关参数,双平片装置能进一步减少阻力.表1给出了双平片装置都在同样的相对高度(h /δ0=0.35)下,而两装置的相对间距31第4期 陈 强等 湍流大涡破碎装置的减阻研究 32 弹 道 学 报 第13卷(S/δ0)不同时的减阻情况.表中L1和L2分别为从第一装置和第二装置后缘开始的距离.显然,太大的平片间距会影响减阻效果,这里是在S/δ0=6时最佳.在这最佳间距下双平片各有不同高度时的减阻效果见表2.由表2可见,在一般情况下,后平片装置的高度(h2)比前平片装置的高度(h1)更大时,将会有更好的减阻效果.表1 双平片装置(h/δ0=0.35)在不同间距下的平均减阻量间距S/δ0C f·C-1fr e f/(%)L1L26-10.27(L1=49.7δ)-10.82(L2=43.7δ0)8-9.92(L1=51.7δ0)-10.43(L2=43.7δ0)10-9.72(L1=53.7δ0)-10.14(L2=43.7δ0)12-9.57(L1=55.7δ0)-9.82(L2=43.7δ0)14-9.46(L1=57.7δ0)-9.53(L2=43.7δ0)表2 双平片装置(S/δ0=6)在不同高度下的平均减阻量h1h2C f·C-1fr ef/(%)L1L20.35δ00.40δ0-10.45-11.060.35δ00.50δ0-11.62-12.370.35δ00.60δ0-11.68-12.45参考文献1Anders J B.Viscous flow drag reduction.Progress in Astronautics and Aeronautics,1990,123:264-2842Cao Qipeng.The computation of boundary layer flow s w ith manipulators.Proc.of China-Japan Joint Symposium Aerodynamics and Aircraft Design,Nanjing,C hina Aviation Industry Press,1990,188-192 3Dj enidi L L.A computational study of aerofoil manipulators in laminar and turbulent fl ow.European J.of M ech.,S e-ries B Fluids,1994,13:661-6834Savill A M.On the manner in w hich outer eayer disturbances affect turbulent boundary l ayer skin fricition.Procee-dings of the European Tu rbulent Conference,19865Johnson D A.Transonic separated flow preduction w ith an eddy-viscosity/reynolds-stress model.AIAA J.1987,25(2):252-2596是勋刚.湍流.天津:天津大学出版社,19947Coustols E.M anipulatim of turbulent boundary l ayers in z ero press ure gradient flow s:detailed experiments and mo-delling.International conference on tu rbulent d rag reduction by passive means.London,1987:255-284A STUDY OF TURBULENT FLOW DRAG REDUCTIONBY LARGE EDDY BREAK-UP DEVICESChen Qiang Tang Deng bin Cao Qipeng(Dept.of Aerodynamics,Nanjing Univers ity of Aeronautics and Astronautics,Nanj ing,210016)Abstract Turbulent flow drag reduction by in-flow manipulator devices withvarious parameters in boundary layer is studied computationally in this paper.Different turbulent models,w hich is very im portant for studying the process ofreductio n drag of the turbulent flow,including Johnson-King eddy-viscosity/Reynolds-stress closure model and k-εmodel with the improvement for lowReynolds number flow at near w all,are used in the computation of Navier-Stokes equation.The calculation starts from up stream of the m anipulato r de-vices,and results obtained w ill be more accurate.The effect of different pa-rameters of manipulator devices including single and double devices are stud-ied,and used in optimizaton of drag reductio n.The results obtained are com-pared well with date of the experiments.Key words drag reduotion,turbulent boundary layer,large eddy break-up(LEBU),turbulent model(上接第27页)NUMERIC AL SIMULATION OF UNSTEADY FLOWSINDUCED BY AN ACCELERATING PROJEC TILEGeng Jihui Xu Houqian(Power Eng.College,NUST,Nanjing,210094)Abstract Base on the Delaunay triang ulation criterion in conjunction iw th theautom atic point creation and the local grid regeneration method,unsteadyflow s induced by an accelerating projectile are investigated numerically by us-ing the finite volume method.The unsteady effect on the wave structure in theflow field is examined thoroughly.Key words accelerating projectile,w ave structure,numerical simulation 33第4期 陈 强等 湍流大涡破碎装置的减阻研究 。
二维平板横置小肋湍流减阻的数值分析及参数优化
二维平板横置小肋湍流减阻的数值分析及参数优化周正阳;宋文滨【摘要】采用RANS和LES相结合的数值计算方法,系统分析了给定条件下二维平板横置小肋对湍流摩擦阻力的影响.并开展了小肋外形及布置参数的优化研究.使用RANS方法计算平板阻力,而LES方法则着重分析流场变化过程,以分析减阻机理.通过对不同外形和参数小肋的CFD计算结果的比较分析,得到了该计算条件下减阻效果最佳的小肋参数,与光滑平板对比,最大减阻近4％.通过对流场的分析可以看到,横置小肋之间产生涡柱,改变了流体与平板的作用方式及近壁速度剖面,进而可以降低摩擦阻力.研究为进一步分析横置小肋在更宽速度和雷诺数范围内的有效性及开展全面的参数优化研究提供了基础.%The drag reduction effects of laterally configured riblets on flat plate are systematically studied using a combination of RANS and LES methods. The effects of different riblet shapes, geometry parameters and number of riblets are analyzed and optimized. The RANS code is used to calculate the drag values while the LES is used to investigate the detailed flow patterns in the boundary layers due to the presence of the riblets. Optimal parameters are obtained using response surface method based on CFD results. It can be seen from the numerical study that 4% drag reduction can be achieved comparing to flat plate. This is primarily caused by the reduction in turbulent frictions drag. The research provides a basis for further research on turbulent drag reduction using lateral riblets.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)011【总页数】7页(P2916-2922)【关键词】CFD;湍流减阻;横置小肋;参数优化【作者】周正阳;宋文滨【作者单位】上海交通大学航空航天学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O357.1减阻研究是一项重要的空气动力学基础问题。
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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。
经过一百多年的研究工作，人们的认识日益深化,预测方法不断改进。
随着我国飞速发展，所需的战略型资源--化工石油越发紧缺【1】。
同时，随着我国大部分油田开发进入中后期，采出油品的流动性不断恶化，使得管道输送阻力急剧增大，运营成本剧增。
因此如何降低石油及其产品的管输阻力成为国内外众多学者研究的热点和难点问题。
自从Toms,Kramer先后发现高分子稀溶液或弹性材料护面都能实现减阻以来,减阻现象与边界剪切湍流产生的基本规律密切相联【2-3】。
粘性减阻就是通过或从外部改变流体边界条件或从内部改变其边界条件,依靠改变边界材料的物理、化学、力学性质或在流动的近壁区注入物理、化学、力学性质不同的气体、液体来改变近壁区流动的运动和动力学特性,从而达到减阻目的的技术【4】。
1、粘性减阻当粘性流体沿边界流过时,由于在边界上流速为零,边界面上法向流速梯度异于零,产生了流速梯度和流体对边界的剪力。
边壁剪力作功的结果消耗了流体中部分能量,并最终以热量形式向周围发散。
边界面的粗糙程度,决定微观的分离和边界的无数小旋涡几何尺寸的差异,从而决定流体能量消散的差异和阻力系数的差异[5～7]。
如想达到粘性减阻,首先要实现壁的光滑减阻;就要改变层流边界层和湍流边界层中层流附面层的内部结构:1)减小层流边界层和层流附面层贴近边界处的流速梯度值和流体对边界的剪力,减小通过粘性直接发散的能量值,达到减阻。
2)增大层流边界层和层流附面层的厚度,从而达到减阻【8-10】。
2、高分子稀溶液高分子稀溶液减阻是通过从流体内侧边界创造条件,以实现减阻。
长链高分子稀溶液能导致减阻的共同特点是:其额定分子量数量级都是高达百万的。
从减阻的结果来看它只对湍流有效；而对层流则无效。
而且只有当高分子稀溶液注入到临边界区域时,才能实现减阻[14～15]。
第一种认为减阻作用是由于减阻剂使边界层产生了滑动。
第二种认为是由于高分子稀溶液延缓了近壁区层流向湍流的过渡,使层流附面层增厚了,流速分布发生了弹性变形,出现“缓冲层”。
第三种认为是稀溶液改变了流体粘性。
从化学角度来看,当在附壁区受流体剪力作用时,卷曲的分子链将直化。
而解除外力后则力图回缩至原状,具有弹性,故较容易与层流附面层发生同步波动。
归根到底,高分子化学稀溶液能在内外流中起减阻作用,是由稀溶液中溶质的化学结构所决定的。
在化学结构中,影响和决定减阻的主要因素是大分子的链环数[18],每链环的分子量值。
如果高分子结构,浓度所决定的宏观力学指标使得近壁薄层具有弹性,对层流附面层波动具有完全的柔顺性,而链网内部阻力损失很小,那么它就有良好的减阻效果。
但高分子在受到流动剪力或其它机械力易产生降解,从而降低和丧失减阻性能并有较昂贵的费用[19]。
表1为过去几十年中较通用的几种材料和有效的减阻浓度范围【12-13】。
表1 高分子减阻器Table 1 polymer drag reduction3、高分子聚合物对湍流漩涡的作用聚合物湍流减阻的基本思想就是最大限度地阻止湍流的迸发，即降低湍流迸发频率和强度。
只有在流动漩涡为非对称流动的情况下，其中的聚合物才可能存在反向扭矩，当湍流漩涡遇到阻碍其运动的壁面时，发卡型漩涡变得不对称，导致聚合物产生反向扭矩，而发卡型漩涡偏离其自身中心对称轴。
从而高分子聚合物可以利用自身具有的粘弹性反向扭矩抑制湍流漩涡的旋转翻腾，进而降低湍流程度，减小流动阻力【16】。
4、减阻剂减阻剂是一种减少液体管道内摩阻损失的化学制品，是高分子聚合物，属碳氢化合物。
早在1944年，美国麻省理工学院就研究了能够减阻的物质【17】。
1947年美国海军研究院开始进一步的发展研究。
在60年代后期，美国的生产厂家己开始对减阻剂进行研制生产。
1979年美国Conoco公司生产的CDR减阻剂开始应用在横贯阿拉斯加的原油管道上。
自80年代初以来，在世界范围内，海上、陆上有几百条输油管道都陆续应用了减阻剂【21】。
5、柔顺壁减阻柔性化是以柔顺的边界替代了刚性边界面从流体外侧边界创造条件来影响流体流动的。
柔性化后使边界产生同步波动,从而减小牛顿剪切应力,阻滞层流边界层流态的转捩,导致层流附面层或层流边界层的增厚[23～24]。
许多研究者考虑了应力与速度在层流边界层或层流附面层与柔性壁交界面的连续性,通过计算证明Kramer型的非各向同性柔性壁有利于层流边界层的转捩延迟[22]。
近年来,从内、外侧同时来改变流体状况的水溶性高分子涂层[25]。
其一方面是从涂层溶解出来的线型高分子,沿流取向的过程中抑制湍流和湍流压力的脉动;第二方面是涂层在水中不断地溶胀,形成弹性模数梯度,引起壁的柔顺效应。
但这种涂层在很短时间内,会由于涂层的完全溶解而失去了减阻的效果。
6、医学上的应用有人研究用减阻剂(葡萄糖类)和高疏水性的血管材料来减少血液流动的粘性摩阻,增大血流量。
以治疗由于胆固醇沉积使冠状动脉管径减少引起的心肌供氧不足,心脏负担过重的冠心病【20】。
7、船舶航行船舶或水下兵器在水中航行时，水的粘性摩阻及其引起的噪声是影响船速和水下兵器作战性能的主要因素。
在其外壁涂上某些高分子物质,如表面柔性高分子材料,水溶性高分子涂层,低表面能减阻涂层等，可减少航行阻力和噪声，提高航速和声纳的信噪比，降低动力耗散。
同样，这种涂层也可用于体育比赛的赛艇上以提高船速。
参考文献:[1] Tom B A. Congress on rheology[M]. North Holland：AcademicPress，1948：135.[2] 郑文.高分子聚合物和流体的减阻[J].高分子通报，1989（4）：21-24.[3] 窦国仁.高分子聚合物减阻流的湍流结构[J].水力水运科学研究，1981（1）：1-10.[4] 陈林，唐登斌.转捩边界层中流向条纹的新特性[J].物理学报，2011，60（9）：1-5.[5] Liu J T. Contributions to the understanding of large scalecoherent in developing free turbulent shear flows[J]. Advances of Applied Mechanics，1988，26：183-305.[6] Jiang LShan HLiu C. Recent advances in DNS and LES[C].Proceedings of the Second AFOSR International，Conference on DNS/LES，Rutgers-The State University of New Jersey，New Brunswick，USA，June 7-9，1999.[7] Mack L M. Review of linear compressible stability theory[C].Stability for Time Dependent and Spatially Varying Flows，New York，USA，1985.[8] Crews James BHuang Tianping. Internal breakers forviscoelastic-surfactant fracturing fluids[C ]. SPE106216，2007.[9] 窦国仁.含高分子聚合物的紊流及其减阻规律.中国科学,1981,(11):1409[10] 何钟怡.高分子稀溶液减阻机理的研究进展.水动力学研究与进展.1993,8:381[11] 周火亘,熊忠民.湍流边界层近壁区相干结构起因的研究.中国科学,1994,24:941[12] 么胜洪,舒玮.壁湍流外层周期扰动对内层脉动特性的影响.中国科学,1991,(1):47[13] WuJiezhi,WuJainming.InteractionsBetweenaSolidSurfaceandaViscousCompressibleFlowField,J.Fluid，Mech.,1993,254:183[14] WeiT,WillmarthWW.ModifyingTurbulentStructurewithDragReducing-PolymerAdditivesinTu rbulent，ChannelFlows,J.FluidMech.,1992,245:619[15] KalashnikovVN.HydrodynamicsofPolymerSolutionsExhibitingLowEddyFriction,FluidMecha nics-SovietRe2，search,1979,8(3):14[16] LandahlMT.DragReductionbyPolymerAddition,Proc.13thIntCongrTheor,Appl.Mech,Springer -Verlag,1973[17] VirkPetal.TheTom’sPhenomenon:Turbule ntPipeFlowofDilutePolymerSolutions.J.FluidMech., 1967,30:305[18] VirkPandMerillEW.TheOnsetofDilutePolymerSolutionPhenomena,inViscousDragReduction, EditbyWells，CS,PlenumPress,1969[19] 马祥,陶进.表面活性剂管道减阻及传热特性的研究.水动力学研究与进展,1993,8:636[20] ZandiI.DecreasedHeadLossesinRaw-WaterConduits,J.Am.WaterworkAssoc,1967,59:213[21] GustG.ObservationonTurbulentDragReductioninaDiluteSuspensionofClayinSeawater,J.Fluid Mech.1976,75:29[22] 钱宁,万兆惠.泥沙运动力学,科学出版社,北京,1983[23] pliantCoatingResearch.AGuidetotheExperimentalist,J.FluidandStructure19 87,1:55[24] CarpenterPW,GarradAD.TheHydrodynamicStabilityofFlowoverKramer-TypeCompliantSurfa ce,Part,Tollmien-SchlichtingInstability,J.FluidMech,1985,155:465[25] 李万平,杨新祥.柔性壁减阻的试验研究.水动力学研究与进展,1991,6:108[26] 金善熙.高分子减阻涂料.海军工程学院学报,1987,(1):8。