沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展_王树立.
沟槽壁面减阻机理实验研究
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
ＧＯ ｕＱｉ Ｌ ｎＨ ｎ ＨＵ ＮＧ Ｗ － Ｉ Ｘｉ— ｏ ｇ ＡＮＧ Ｓ ｕＪ ａ ｈ －ｕ ｎ
ｔ ｍ ｅ ｉ ｎｌｓ ｅｏｃｔ ｓ ｒｂｕ ｉ ｎ ｏ ｅ ｉ ｅ ｓｄ ａ ｅ ｕｃ ｉ ｎ ｗａ ｌ Ｓｈｉ ｈ ｒｔ ａ ｈａ ｖ ｒｓ ｏ ｔ ｈｅｄｉ ｎｓｏ ｅ ｓｖ ｌ ｉｙ ｄｉｔ ｉ ｔｏ ｖ ｒｒｂｌｔ ｒ ｇ ｒ ｄ ｔｏ ｌ ｉ ｇ ｅ ｈ ｎ ｔ ｔｏ ｅ ｍ ｏ ｈ
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
!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。
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。
基于PHOENICS的长输管道沟槽减阻数值模拟
基于PHOENICS的长输管道沟槽减阻数值模拟
史小军;王树立;赵志勇;朱莹;王海秀;张晔
【期刊名称】《石油机械》
【年(卷),期】2008(36)5
【摘要】通过对湍流微分方程采用有限容积积分法进行离散化处理,对离散后的代数方程采用SIMPLEST算法实施计算求解,利用PHOENICS软件数值模拟了V形沟槽尖峰对湍流边界层特性的影响.模拟结果认为,沟槽的尺寸大小可能不是影响沟槽表面阻力的主要因素,而真正影响沟槽表面阻力的因素是无量纲化之后的槽间距s+,在相同的流动条件下,沟槽处的速度减小,壁面剪切力也随之减小.
【总页数】4页(P15-18)
【作者】史小军;王树立;赵志勇;朱莹;王海秀;张晔
【作者单位】江苏工业学院江苏省油气储运技术重点试验室;江苏工业学院江苏省油气储运技术重点试验室;江苏工业学院江苏省油气储运技术重点试验室;江苏工业学院江苏省油气储运技术重点试验室;江苏工业学院江苏省油气储运技术重点试验室;江苏工业学院江苏省油气储运技术重点试验室
【正文语种】中文
【中图分类】TE9
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槽道内聚合物减阻流动对数层湍流结构的影响
((在黏弹性聚合物和表面活性剂减阻的研究中 得到的减阻率已经高力,%?#- & 大量研究表明%减阻状 态下的湍流存在许多不同于牛顿流体湍流的特征
收稿日期! #$%&?$"?%! 通讯作者简介!付在国"%)&!#$ %男%博士%副教授& 主要研究方向为湍流减阻控制%非牛顿流体流动与传热传
本研究针对槽道内聚合物减阻流动%采用粒 子 成 像 测 速 技 术 " 5&$1,4'/<@&+/7/'"4,@/1$2% 5<7$ %对位于流 动 中 对 数 层 内 多 个 位 置 的 流 向 " M方向$ .垂直 壁 面 方 向 " .方 向$ 与 展 向 " U方 向$的 ! 个速度分量进行测试%并基于测试结果 进行统计分析%讨论在黏弹性聚合物添加剂的
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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. A com bined visualizati on 2anemom etrystudy of the turbulent drag reducing m echanis m s of triangular m icro 2groove surface modificati ons . A I AA 28520548, 19856 Gallagher J A , T hom as A S W . T urbulent boundary layercharacteristics over streamw ise grooves . A I AA 28422185, 19847 Cousto ls E . Behavi o r of internal m ani pulato rs :“ riblet ” modelsin subsonic and transonic flow s . A I AA 28920963, 19898 Park S R , W allace J M . F low alterati on and drag reducti on byriblets in a turbulent boundary layer . A I AA Journal , 1994, 32(1 :31~389 Gaudet L . P roperties of riblets at supersonic speed . A pp liedScientific R esearch , 1989, 46(3 :245~25410 W ang J J , L an S L , L ian Q X . Effect of the riblets surface onthe boundary layer developm ent . Ch inese Journal of A ero 2nautics , 1996, 9(4 :257~26011 N eum ann D , D inkelacker A . D rag m easurem ents on V 2grooved surfaces on a body of revo luti on in axial flow . A p 2p lied Scientific R esearch , 1991, 48(1 :105~11412 Sundaram S , V is w anath P R , R udrakum ar S . V iscous drag33第 1期王晋军 :沟槽面湍流减阻研究综述reducti on using riblets on NA CA 0012airfo il to moderate in 2 cidence . A I AA J , 1996, 34(4 :676~68213 M c L ean J D , Geo rge 2Falvy D N , Sullivan P P . F ligh t 2test of turbulent sk in 2fricti on reducti on by riblets . T urbulent D rag R educti on by Passive M eans . L ondon :Royal A eronautical Society , 1987. 408~42814 Cousto ls E , Schm itt V . Synthesis of experi m ental riblet stud 2 ies in transonic conditi on . In :Cousto ls E . T urbulence Con 2 tro l by Passive M eans . Do rdrech t :K luw er A cadem ic Pub 2 lishers , 1990. 123~14015 V is w anath P R , M ukund R . T urbulent drag reducti on using riblets on a supercritical airfo il at transonic speeds . A I AA Journal , 1995, 37(5 :945~94816 D ebisschop J R , N ieuw stadt T M . T urbulent boundary layer in an adverse p ressure gradient :Effectiveness of riblets . 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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。
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。
细薄肋型减阻沟纹湍流减阻特性的实验研究
细薄肋型减阻沟纹湍流减阻特性的实验研究
王子延;庞俊国
【期刊名称】《西安交通大学学报》
【年(卷),期】1999(033)011
【摘要】对减阻沟纹的形状,尤其是肋峰厚度进行了进一步优化,提出了一种由极薄的肋峰组成的细薄肋型减阻沟纹(thin-blade-riblets,简称TBR);成功地制作了TBR 减阻薄膜,并对其管内减阻特性进行了实验,得到了8%的减阻效果.该实验为TBR型减阻沟纹在工程实际中的应用奠定了基础.
【总页数】4页(P35-38)
【作者】王子延;庞俊国
【作者单位】西安交通大学,710049,西安;西安交通大学,710049,西安
【正文语种】中文
【中图分类】O357.54;V211.79
【相关文献】
1.小槽道表面活性剂湍流减阻及流变特性的实验研究 [J], 庞明军;徐磊;张展;彭泽江
2.展向电磁力控制鱼雷模型湍流边界层减阻实验研究 [J], 徐驰;周本谋;黄亚冬;李俊伟;
3.二维平板横置小肋湍流减阻的数值分析及参数优化 [J], 周正阳;宋文滨
4.运七飞机外表面沟纹膜减阻的实验研究 [J], 李育斌;王志岐
5.湍流减阻多级转换特性及湍流特性分析 [J], 袁益超;朱波;于文汇;詹水清;李昌烽
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减阻实验研究在水力学实验教学中的应用
减阻实验研究在水力学实验教学中的应用
李玲;晏智锋;王薇宇;朱振铎
【期刊名称】《实验技术与管理》
【年(卷),期】2008(025)010
【摘要】详细介绍了减阻实验研究的概况、主要内容和研究成果以及将减阻实验研究与水力学教学实验相结合的方法,丰富了水力学实验教学中沿程水头损失量测实验的内容,在已有圆管恒定流动水头损失规律的基础上,分析减阻材料的糙率系数随雷诺数和相对粗糙度的变化规律,揭示管道内壁涂层减阻技术对管道糙率系数的影响.该实验综合了水力学学科内有关领域的知识与技术,大大激发了学生做实验的兴趣,加深学生对理论知识的理解,也使学生得到综合训练.
【总页数】3页(P32-34)
【作者】李玲;晏智锋;王薇宇;朱振铎
【作者单位】清华大学,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084;清华大学,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084;清华大学,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084;清华大学,水沙科学与水利水电工程国家重点实验室,北京,100084
【正文语种】中文
【中图分类】G642.423;TV131
【相关文献】
1.应用于等离子减阻的光纤光栅测力天平实验研究 [J], 李国文;王建明;杨波
2.细薄肋型减阻沟纹湍流减阻特性的实验研究 [J], 王子延;庞俊国
3.一种新型边界层控制技术应用于湍流减阻的实验研究 [J], 杨弘炜;高歌
4.供热管道减阻涂层减阻效果的实验研究 [J], 苗庆伟;张欢;王淮;赵惠中;常娅娜;刘秀清;刘洋
5.旋风分离器减阻杆减阻的PIV实验研究 [J], 龚安龙;王连泽
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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，
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]。
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"。
“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 ：****************。
基于涡识别技术的微结构壁面湍流减阻机理研究
基于涡识别技术的微结构壁面湍流减阻机理研究刘春烨;王文娥;周士越;胡明宇;凌刚;胡笑涛【期刊名称】《工程科学与技术》【年(卷),期】2024(56)3【摘要】为探究微结构壁面湍流减阻机理,采用粒子图像测速技术(PIV)观测微结构壁面的水流特性,分别对超疏水壁面和微沟槽壁面的流速发展、雷诺切应力变化及涡的分布规律进行分析。
引入流速的概念,对Omega(Ω)涡识别方法进行改进,建立新的Ω_(M)涡识别方法,并采用该方法对近壁面涡结构进行识别,提出液流涡密度定义,定量分析近壁处不同强度涡的分布,为研究微结构壁面减阻机理奠定基础。
研究结果表明:在相同雷诺数下,边界层内流速由大到小分别为超疏水壁面、微沟槽壁面和光滑壁面,两种微结构壁面对数律层流速分布与光滑壁面相比明显外移,说明微结构壁面具有减阻效果;雷诺切应力随法向无量纲距离y+的增大而先增大后减小,其中,超疏水壁面雷诺切应力的最大值与其他壁面相比最小;采用Ω_(M)方法对近壁处涡进行识别,发现近壁0.1倍水深内,两种微结构壁面上水流中涡结构以弱涡为主,在0.2倍水深内开始出现强涡;与光滑壁面相比,微结构壁面近壁处水流弱涡的涡密度增加,强涡的涡密度减小,说明微结构壁面抑制了水流中强涡的发展;在3种壁面中,微沟槽壁面的减阻率大于7.60%;超疏水壁面的弱涡涡密度大,强涡涡密度小,减阻效果最好,减阻率大于9.48%。
微结构壁面可有效降低水流输运能耗、提高其输运效率。
【总页数】11页(P197-207)【作者】刘春烨;王文娥;周士越;胡明宇;凌刚;胡笑涛【作者单位】西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TV13【相关文献】1.壁面微结构流动控制技术的减阻机理研究2.壁面展向周期振动的槽道湍流减阻机理的研究3.槽道湍流壁面展向周期振动减阻机理研究4.柔性壁面湍流减阻机理与多尺度相干结构控制的实验研究5.槽道湍流在确定分布的展向电磁力调制下的壁面减阻机理因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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
)" $ *+ , %&'( !" #$ %&'(
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
三角形沟槽面圆管湍流减阻的大涡模拟数值研究
科
学
技
术
与
工
程
Ｖｏ ｌ Ｊ １ ３ Ｎｏ ． ８ Ｍａ ｒ ．２ ０１ ３
１ ６ ７ １ —１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ８ — ２ ０ ２ １ — ０ ７
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
鲨鱼 、 旗鱼和海豚等水下低 阻力鱼类表皮 的研究。
鲨鱼 鳞 片均匀 的覆 盖 在 鲨 鱼 体 表 ， 且 所 有 鳞 片 的生 长方 向都 与鲨 鱼 的前 进 方 向相 反 ， 使 鲨 鱼 身体 周 围
产生细小的涡流从而降低身体的阻力 ， 并可以阻止
浮游 生物 的 附着 … ， 具 有 优 良的减 阻 防污 性 能 。受
２ ０ ２ ２
阻情 况进行 研究 ， 观 察 到高达 ３ ３ ％ 的减 阻 。
随着计 算 机技 术 的 飞速 发 展 ， 大 涡 模 拟 方 法成
较 少 。１ ９ ８ ３年 ， Ｎ ｉ ｔ ｓ ｃ ｈ ｋ ｅ对 具有 圆 形槽 峰 和 平 坦 槽 谷 的圆管 内 的空气 流 动 进行 研 究 发 现 ， 无 量 纲 沟 槽
现采用流体分析软件 Ｆ Ｌ Ｕ Ｅ Ｎ Ｔ， 分 别 对 光 滑 圆 管 和三 角 形 沟 槽 面 圆管 的湍 流 流 场 进 行 三 维 的大 涡 模拟 ， 观察 圆管 内壁 面 湍 流边 界 层 的拟 序结 构 和 流 动特 征 ， 并分 析 圆管 内三 角形 沟 槽 的减 阻效 果 及 其 减 阻机理 。
摘
要
湍流减 阻对水上船舶 、 潜艇 、 飞机 以及长输油 管道 等运输工具 的节 能减 排具有 重要意义。利用大 涡模 拟 （ Ｌ Ｅ Ｓ ） 对 光
沟槽对湍流流动影响研究
运 动 过程 中没 有掺 混 ， 而 是 很有 规 则 的运动 。相
对 层 流流 动 而 言 ， 湍 流流 动 是一 种 比较 复杂 的 流 动现象 ， 在运 动过 程 中不 同速度 的气 体分 子 相 互 掺混 ， 并 且 会 形 成 尺 度 不 同 的涡 ， 这 两 种 流 动 状
本文通过对流动状态不 同时温度场进行计
种重要方法 。其基本思想是 ， 用某一个基函数
的线 性 组 合 ， 也 就 是 试 探 函数 ， 作 为微 分 方 程 的
近似解 ， 将这个试探 函数代人原方 程 ， 产生一个
状 态 的影 响 …。例 如在 处 于充 分发 展 湍流 流动 状
态原流场上 ， 加人与气流运动平面方 向垂直 的周
期性扰动 ， 就 可 以改 变 原 流 场 边 界 层 速 度 分 布 ，
边 界 元 法 是 把 线 性 偏 微 分 方 程 的 边值 问题
从 而削弱湍 流与固体壁面的相互作用 。表面形 成 沟槽形式 ， 也会改变其湍流强度 ， 改变其与壁
的粘 性底 层 要 比光 滑 面 的有 所 增厚 ， 沟槽 面应 当
过基本解将求解域 内的微分方程变换成边界上 的积分方程。这样使求解问题的维数降低一维。 第二步是边界的离散化 ， 可以采用有限元法
的离 散 技 巧 ， 而 且 由于 离 散仅 在 边 界 上 进 行 ， 误
能 有效 降低 近壁 区湍流 脉动强度 以抑制湍 流 。
算， 分析 了沟槽 的影响 。
ｌ 温度场计算方法
在进行温度场计算时需要计算热传导 、 热对
流、 热 辐 射 所 传 导 的热 量 ， 因此 需 要 找 出三 种 热
态截然不 同。普通光 滑壁 面上存 在充分发展的 湍流流动状态时 ， 如果有扰动或者褶皱出现就有
纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示
纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示杨绍琼;崔宏昭;姜楠【摘要】纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s+在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s+约为17个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性而产生的一种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构.实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2015(047)003【总页数】5页(P529-533)【关键词】湍流边界层;开尔文-亥姆霍兹不稳定性;“类开尔文-亥姆霍兹”涡;沟槽;流动显示【作者】杨绍琼;崔宏昭;姜楠【作者单位】诺丁汉大学工程学院,英国诺丁汉NG7 2RD;天津大学机械工程学院力学系,天津300072;诺丁汉大学工程学院,英国诺丁汉NG7 2RD;天津大学机械工程学院力学系,天津300072;天津市现代工程力学重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】O357.4+1沟槽(riblets)，是指横截面为固定形状的、沿展向周期排列的一系列流向的微小肋条结构.大量研究发现：与光滑壁面湍流边界层相比，它们在一定物理尺寸范围内具有减阻效应；并在其黏性内尺度无量纲参数L+g(展向横截面积的平方根)约为11个黏性长度单位(对应沟槽的脊--脊内尺度无量纲展向间距s+≈17)时达到最优减阻效果；但随着雷诺数的增加，沟槽减阻效应会随之减弱，甚至反而使得壁面摩擦阻力增加，表现出大扰动粗糙元效应[1-2].沟槽壁面湍流边界层减阻的原因，特别是减阻率线性相关于s+的“黏性区”的减阻机理可归纳为沟槽对湍流边界层近壁区(准)流向涡或发卡涡(涡包)结构的有效抑制和重组[3-6]；而对应地，沟槽减阻在达到最优之后表现出大扰动粗糙元效应的原因，已有文献也给出了两种可能解释：(1)沟槽谷内准流向涡与沟槽的相互作用[7]；(2)沟槽脊处二次流向涡的脱落[8].可见沟槽减阻失效,之前文献大都归因于沟槽壁面湍流边界层内的流向涡或准流向涡的行为随沟槽展向尺度的变化.但文献[9]在2011年首次基于其沟槽壁面湍流边界层直接数值模拟数据库的分析，指出限制沟槽减阻效应甚至使阻力增加的原因是一种“类开尔文--亥姆霍兹”不稳定性；这种不稳定性现象在沟槽刚刚达到最优尺寸(s+≈17)时出现；伴随其产生了一种之前未曾被实验观察到的展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构.本文使用烟雾流动显示技术，首次在风洞实验中清晰地观察到这种展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构，并在前期讨论“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象及其原理[10]的基础上，进一步详细描绘这种“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡.实验在英国诺丁汉大学低速回流式风洞中完成. 风洞采用变频调速；其实验段长3m，截面为508mm×508mm八角形；风洞最大稳定风速为10m/s，自由来流背景湍流度约为0.24%.实验室温控为22±0.5°C；环境压强约为0.1012MPa；因此，空气密度ρ和运动黏度ν分别为1.2kg/m3，1.53× 10−5 m2/s.边界层流场在风洞实验段内水平放置的一块长约3m的平板上发展.平板前缘以椭圆半轴长75mm修缘，并在前缘下游100mm处布置高h=10mm，直径为3mm的微小圆柱阵列触发流场提前转捩为湍流.距离板前缘下游约1.5m处嵌入烟雾/粒子播撒器，其高约115mm.而沟槽相邻脊--脊物理间距s，脊--谷高度都为7.2mm；沟槽板截面为三角形，被相邻地嵌入到烟雾/粒子播撒器下游的平板内，即沟槽起点距离平板前缘的流向距离χ=1.7m.通过调节平板的尾翼，经过尾翼前缘近壁区的热线信号及其谱分析确认，得到沟槽壁面处零压力梯度且流动未分离的湍流边界层.使用丹尼尔科技(DANTEC)有限公司54T29型速度测量仪(标定误差为0.02m/s)测量边界层多个自由来流速度U∞，控制其在0.38m/s，0.68～1.62m/s 之间.实验装置及平板布置参数图1给出.对应的边界层流场参数，即摩擦速度uτ≈U∞/22 (经验公式[11])，边界层厚度δ≈0.37χ/Re1/5χ (普朗特近似公式[12])及雷诺数Reτ=uτδ/ν见表1.本文采用烟雾流动显示技术研究上述条件下的沟槽壁面湍流边界层内“类开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象，即“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构[9].实验使用TSI 9307-6型烟雾发生器产生平均直径为1µm的烟雾颗粒作为示踪粒子；使用幻灵(Phantom)牌SpeedSense 9060型高速互补金属氧化物半导体(CMOS)相机(1024×800 pixels)仰视拍摄上述湍流边界层流场的近壁区域；流场被丽创(Litron)牌LDY302型Nd:YLF双腔激光器照亮，激光器最大输出功率为100W，激光波长为527nm，调节片光厚度约为1mm(研究“类开尔文--亥姆霍兹”涡在不同法向位置y的流动情况时，片光厚约2mm).使用丹尼尔科技有限公司同步器同步激光和相机；相机触发频率设置为500Hz(或800Hz)，曝光时间500µs(或1000µs)，且经标定后，相机最大视场约为425mm×260mm(流向×展向；注：下文中边界层流场流向、法向、展向分别用χ,y,z表示).烟雾流动显示实验共分两部分进行.首先，观察平面(或激光平面)平行于沟槽壁面，相机拍摄χ--z面视场.片光恰好相切于沟槽脊峰，即片光中心距离脊峰平面法向位置y约为0.5mm.流向突出高度h pl取0.18s[13]，即片光平面中心位于沟槽流向速度剖面虚拟原点以上1.796mm处.实验记录11个不同雷诺数下的沟槽壁面边界层流场，流场参数及其在减阻曲线上的对应位置分别在前文表1及图2中给出.边界层流场流动显示结果如图3和图4所示，流动方向从左至右.图3给出了y+=2，s+=8.1时χ--z面内沟槽壁面边界层流场结构.有效视场大小χ+--z+:478.1×180.0 (黏性内尺度无量纲).此时沟槽减阻，s+处于减阻曲线的黏性区，沟槽减阻率线性相关于s+，边界层内流场流向涡占主导[9].图示视场上游(黄色矩形区)处呈现有较多流向或准流向涡结构，相互间间距小于s+；中游部分(橙色矩形区)3个发卡涡涡包结构清晰可见，其展向平均间距约为7.5s+(约60个黏性内尺度无量纲单位)，而3个发卡涡涡包相邻涡流向平均距离约为9s+；涡包中各发卡涡在向下游发展演化过程中“长大”并逐渐远离壁面.这一过程可以看作：沟槽作用下，边界层内流场结构由流向涡/准流向涡逐渐发展演化为发卡涡，形成发卡涡包并向外区抬升的湍流边界层发展过程.这也是实验中少有地在沟槽壁面边界层底层内观察到完整清晰的发卡涡/涡包结构[3].图 4显示的是不同雷诺数 (s+)下沟槽壁面边界层χ−z面内流场结构.有效视场χ×z：200mm× 160mm.具体地，s+=14.5时沟槽处于减阻曲线的最优减阻区之前，即线性黏性区，未见较明显的“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构；当17.1≤s+≤34.7时，从减阻曲线可以看出，沟槽尺寸位于最优减阻区和k粗糙元效应区，沟槽减阻效应即将趋弱直至阻力增加，表现出大粗糙元效应[11].图示视场中可以较清晰的观察到“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构.该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构在流场条件(s+)刚刚超出最优减阻区时出现，可能是沟槽减阻达到最优后减阻效应趋弱直到增阻的主要原因.此时，在片光平面内，烟雾粒子跟随该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡运动，形成黑白相间的展向可视涡：黑色较暗处粒子法向速度垂直于片光平面向里亦或向外；白色较亮处的粒子因涡心(核)旋转聚集，整体表现为“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡棍结构.它们与文献[9]图14(b)中直接数值模拟展向涡棍结构相同.为了研究“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构在不同法向位置y处的流动情况，第2部分选取 s+= 31.7重复沟槽壁面湍流边界层流场烟雾流动显示实验.但相机拍摄频率设置为800Hz，曝光时间为1000µs，内尺度无量纲化后的有效视场大小χ+×z+: 1191.7×585.0.流动显示结果如图5所示.在最近壁区，y+=10.1及14.5处，“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构二维性更好，其平均流向波长40≤≤90，相邻典型展向涡之间的流向距离150≤≤200;平均展向波长≥100，这些参数与文献[9]的直接数值模拟结果基本一致.另外，有趣地，该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构表现出准三维性：随着观察(激光)平面逐渐远离壁面，视场内该展向涡沿流向被拉伸，相邻展向涡之间出现连接两者的类似混合层中相邻展向涡之间的流向涡或准流向涡结构[13]，且此时该“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡数量趋少，尺度趋大，二维性趋弱，准三维性明显变强；但y+继续增加后少有“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡出现.文献[9]的直接数值模拟数据表明边界层流场中，沟槽湍流减阻效应趋弱直至阻力增加的原因可能是“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性现象的出现.本文使用烟雾流动显示技术，首次通过风洞实验显示了由于“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性的出现，使得沟槽边界层时--空平均流向速度剖面出现拐点而形成的展向“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构，并给出沟槽壁面湍流边界层内“类开尔文--亥姆霍兹”涡结构模型示意图(图6)及以下结论：(1)当沟槽脊--脊间距s+位于减阻曲线的线性黏性区时，边界层亚层内的流向涡及准流向涡随时间发展形成发卡涡及发卡涡涡包结构；(2)在s+刚刚超出最优减阻区时，流动因“开尔文--亥姆霍兹”不稳定性失稳，形成“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡结构；(3)典型的“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡其流向波长40≤∆≤90，展向波长≥100；流向相邻展向涡之间的距离150≤∆≤200，这些参数与文献[8]的直接数值模拟结果基本一致；(4)“类开尔文--亥姆霍兹”展向涡主要出现在沟槽壁面边界层y+≈26以内.致谢感谢英国诺丁汉大学传热及流体力学实验室减阻与流动控制组(Thermo and Fluid Mechanics—Drag Reduction and Flow Control Group)费尔·巴里(FaycalBahri)对本文的指导和帮助；感谢刘建华，吴云，宋龙飞，巴索·阿莱西奥(Basso A lessio),基奥瓦克·诺拉(Rkiouak Noura),菲利普·科恩(Phillip Cohen)在实验过程中给予的建议和协助.Received 24 January 2015,accepted 12 February 2015,availableonline16 February 2015.1)The projectwassupported by the NationalNaturalScience Foundation of China(11272233,11332006,and 11411130150),the Foundation from the China Scholarship Council(CSC)(201306250092)and the Foundation Project for Outstanding DoctoralDissertationsof Tianjin University.2)Yang Shaoqiong,PhD candidate,research interests:experimentalstudy on the passive controlofwall-bounded turbulenceand itsstructures. E-mail:******************.cn【相关文献】1 Brian D,BharatB.湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展.力学进展,2012,42(6):821-836(Brian Dean,BharatBhushan.Shark skin surfaces for fluid-dra reduction in turbulent fl w:A review. Advances in Mechanics,2012,42(6):821-836(in Chinese))2 BechertDW,BruseM,HageW,etal.Experimentson drag-reducing surfacesand theiroptim izationw ithanadjustablegeometry.Journal ofFluid Mechanics,1997,338:59-873 Choi KS.Near-wall structure of a turbulentboundary layerw ith riblets.JournalofFluid Mechanics,1989,208(1):417-4584王晋军，兰世隆，陈光.沟槽面湍流边界层结构实验研究.力学学报,2000,32(5):621-626(Wang Jinjun,Lan Shilong,Chen Guang. Experimentalstudy on the turbulentboundary layer fl w over riblets surface.Acta Mechanica Sinica,2000,32(5):621-626(in Chinese))5李山，杨绍琼，姜楠.沟槽面湍流边界层减阻的TRPIV测量.力学学报,2013,45(2):183-192(Li Shan,Yang Shaoqiong,Jiang Nan. TRPIV measurement of drag-reduction in the turbulent boundary layerover ribletsplate.Chinese JournalofTheoreticaland Applied Mechanics,2013,45(2):183-192(in Chinese))6 Yang Shaoqiong,Li Shan,Tian Haiping etal.Coherent spanw ise structures in turbulentboundary layer over drag-reducing riblets[J]. Transactionsof Tianjin University,DOI10.1007/s12209-015-2526-57 Choi H,Moin P,Kim J.Direct numerical simulation of turbulent fl w overriblets.JournalofFluid Mechanics,1993,255:503-5398 Goldstein DB,Tuan TC.Secondary fl w induced by riblets.Journal ofFluid Mechanics,1998,363:115-1519 Garc´ıa-Mayoral R,Jim´enez J.Hydrodynam ic stability and breakdown of the viscous regime over riblets.Journal ofFluid Mechanics,2011,678:317-34710杨绍琼，姜楠.奇妙的“波浪云”——浅谈开尔文--亥姆霍兹不稳定性现象.力学与实践,2014(06):802-805(Yang Shaoqiong,Jiang Nan.On Kelvin-Helmholtz instability in wave clouds.Mechanics in Engineering,2014(06):802-805(in Chinese))11 Jim´enez J.Turbulentfl wsover roughwalls.Annu alReview ofFluidMechanics,2004,36(1):173-19612 White FM.Fluidmechanics.Seventh Edition.New York:M cGraw-HillCompanies,Inc,2011:51313 Bechert DW,Bartenwerfer M.The viscous fl w on surfaces w ith longitudinalribs.JournalofFluid Mechanics,1989,206:105-12914张洪泉.混合层中的流向涡与Rayleigh离心不稳定.力学学报, 1997,29(2):129-135(Zhang Hongquan.Streamwise vortices in a planem ixing layer and Rayleigh’s centrifugal instability.Acta Mechanica Sinica,1997,29(2):129-135(in Chinese))。
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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。
之后 , 科技工作者通过对不同流动情况的实验表明 :光滑表面并非经典的 D a r c y 实验所描述的那样是减阻最佳表面。
随着 70年代 N A S A 兰利研究中心发现具有顺向微小沟槽的表面能有效地降低壁面摩阻 , 彻底突破了表面越光滑阻力越小的传统思维方式以后 , 沟槽减阻就成为了湍流减阻技术中的研究焦点。
特别对于长输管道 , 由于其朝着大管径、高压力、大输量方向发展 , 消耗的能源相当可观 , 减阻因此具有实际意义。
同时由于在管道中大多数流体的流动状态为湍流 , 所以带有沟槽面的湍流减阻技术研究是湍流理论研究的一个重要组成部分。
1减阻相关技术1. 1边界层早期 , 对于减阻现象的研究一般集中在利用测力天平等设备直接测量壁面所受阻力的大小上面 ; 随着研究的深入 , 研究者们越来越多地将目光集中在沟槽面湍流边界层内部流动结构及其相关规律的研究上面。
北京航空航天大学的王晋军在光滑平板上顺流向嵌入几种不同尺寸的沟槽板 , 证实了沟槽面不仅可使边界层转捩推迟 [1], 在湍流边界层区域具有减阻特性 , 而且可使近壁区紊动特性发生变化[1-3], 减阻与近壁区无量纲条带间距的减小相联系 [3]。
C h o i [4]和 O r c h a r d 在诺丁汉姆大学的低速边界层流道中进行试验 , 结果显示在转捩的非线性阶段 , 动量厚度上升速率伴随着肋条面上湍流强度的减弱而减小 , 表明沟槽面对活跃的层流边界层向湍流的转捩有明显的延迟作用。
但是到目前为止对于沟槽面湍流边界层的湍流度、猝发频率等是增加、减小还是不变仍然存在不同的看法 [5-8]。
1. 2拟序结构上世纪 60年代 , K l i n e [9]发现湍流场和非湍流场之间存在一层明显可辩识的界面 , 该界面后来被第 30卷第 1期西南石油大学学报 (自然科学版 V o l . 30N o . 1 2008年 2月J o u r n a l o f S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y (S c i e n c e &T e c h n o l o g y E d i t i o n F e b . 2008*收稿日期 :2007-03-06基金项目 :江苏省教育厅资助项目 (04K J 440030 ; 江苏省油气储运技术重点实验室资助项目 (C Y 0505 。
-, 男 (汉族 , , , ,称为大涡结构 , 又称为拟序结构 , 它的发生是不规则的。
拟序结构的发现极大地改变了对湍流本质的认识 , 标志着对湍流本质的认识从完全无序的阶段进入了无序中的有序新阶段。
天津大学力学系的周恒 [10]利用流动稳定性理论中的一般共振三波的概念 , 提出一种湍流边界层近壁区相干结构产生机理的理论模型 , 考察了压力梯度对湍流边界层相干结构的影响 , 得到的相干结构的空间形态 , 展向尺度 , 传播速度等都与数值模拟结果接近 ; 应用湍流边界层近壁区单个相干结构的理论模型 , 通过数值模拟的方法研究了两个相干结构的相互影响 , 解释了出现低速条纹的原因 [11]。
王晋军对拟序结构开展实验研究 [12], 通过分析流动 , 发现沟槽面的条带转捩比较平坦 , 低速条带转捩有较好的直线性 , 说明沟槽限制了流体的横向流动 , 增强了流动的稳定性。
1. 3条带结构湍流底层存在条带结构已是众所周知的事 , 在顺流向中流速快慢相间的条带结构 , 是湍流相干结构的组成部分 , 条带结构的突然上升和破裂是湍流形成和发展的重要因素。
条带结构的影响因素、动力特性、理论模型及其控制都是重要的研究领域。
梁在潮对逆压梯度进行研究并认为 :在零压力梯度流场中 , 慢速条带较窄 , 慢速条带较宽 ; 但在有逆压梯度的流场中 , 慢速流带较宽 , 其宽度可与快速流带的相当 , 两种条带本身的流速分布比较均匀、平静 , 而在两种条带交界面附近 , 其流动很混乱 , 因此快慢两种条带的交接面区对湍流产生重要作用。
对于光滑壁面 , 在近壁区存在低速条带转捩结构 , 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 , 王晋军 [13]对不同学者的研究方法、结果进行了总结 , 并与光滑面进行了对比。
1. 4层流向湍流的转捩传统观点认为转捩从扰动的放大开始。
由于非线性的作用 , 当扰动增长时 , 高次谐波将产生 , 流动变得越来越复杂 , 最终导致湍流的产生。
周恒对层流 -湍流转捩 [14]的数值模拟结果进行了分析 , 认为平均流剖面稳定性的改变在破裂过程中起到了关键性作用。
清华大学航天航空学院的肖志祥及其合作者运用 B a l d w i n -L o m a x [15](B -L 和 S p a l a r t -A l l m a r a s [16](S -A 模式对平板边界层、A e r o s p a t i a l A -p r o f i l e 翼型低速大迎角和 R A E -2822翼型跨声速激波的边界层干扰流动进行了数值模拟分析 , 自动捕捉流动的转捩过程的何克敏及其合作者[17]在西北工业大学的二元低湍流度柔壁自修正风洞中考察了湍流度和雷诺数对附面层转捩位置的影响 , 得出如下结论 :对于层流翼型模型 (翼弦长 300m , 当湍流度小于 0. 1%时 , 它对附面层转捩点位置没有显著影响 , 但当湍流度大于 0. 1%之后则影响明显 ; 而对于 N A C A 0024对称翼型 (弦长 400m 模型 , 其表面附面层转捩点位置不受湍流度的影响 ; 对于 K r a m e r 型的非各向同性柔性壁 (用密封的橡胶包裹着细长型物体做成了弹性覆盖层 , 并用销钉将这一层固定在物体的表面上 , 在外套与物体之间的空间中充填不同粘度的液体 , 将其放在水中作拖曳运动 , 与同体型同尺寸的光洁硬壳模型相比 , 有利于层流边界层的转捩延迟 , 减小阻力。
2影响沟槽面减阻的因素2. 1沟槽的形状N A S A 兰利研究中心的 W a l s h 及其合作者 [18-21]对应用于湍流减阻中的不同断面的 r i b l e t s (包括三角形、矩形、V 形、半圆形 , 等做了大量实验 , 发现具有最佳减阻特性的是三角形沟纹 (见图 1 , 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%。
W i l k i n s o n 和 L a z o s 在 N A S A 兰利研究中心曾首先推出 t h i n -e l e m e n t -i b l e t s (薄肋型减阻沟纹 , 即“ 高横比” 不同的四边形沟槽面 , 并在低速风洞内做了大量实验 [22], 发现减阻量大致与槽的高度成正比而与间距成反比 , 最大减阻量发生在大“ 高横比” 沟槽面上 , 且与对称 V 型沟槽的 8%相当 , 这一点与 W a l s h 的实验结论相近。
C h o i [23]和 W a l s h 认为具有减阻效应的沟槽必须具有锐利的峰脊且沟槽间距与低速条带间距存在某种关系。
因此 , 较为一致的看法是 :当沟槽的无量纲间距和高小于 30时 , 沟槽面具有减阻效应。
图 1沟槽几何形状截面示意图147第 1期王树立等 :沟槽面在湍流减阻中的技术研究及应用进展沟槽面有顺流向和垂直流向两种放置方式。
梁在潮 [24]在水洞中分别进行了横、纵向沟槽面边界层的流动显示实验。
他发现顺流向沟槽面可以控制低速条带的数量而改变其间距 , 从而能影响减阻的效果 ; 而横向沟槽则通过控制低速条带的长度来影响减阻的效果 , 顺流方向的放置方式已有多人研究 , 王晋军在边界层减阻特性 [25]研究中 , 得出了局部阻力减少高达 13%~26%的结论 , 并且他认为横向沟槽减阻效果不大 , 但是南京航空航天大学的潘家正 [26]将垂直于流动方向的小尺寸肋条按一定的间隔固定在平板上 , 利用自制的悬挂式天平测量了不同风速下的阻力 , 获得了约 10. 2%的减阻效果。
2. 3流场压力梯度有压力梯度的流场是很普遍的 , 而沿诸如飞机外表面、船舶水面以下、叶片、管道内壁 , 其压力梯度是不断变化的 , 使得湍流处于非平衡状态 , 给湍流的计算带来很大的困难 , 所以弄清楚不同压力梯度对湍流相干结构的影响 , 有特别重要的意义。
W a l s h [27]对这一问题进行了讨论并认为在小压力梯度下 , 沟槽表面仍然具有减阻效应 , 效果与零压力梯度时相比基本不变 , 这一点基本上取得共识。