肋条减阻

A辑第14卷第3期 水动力学研究与进展 Ser.A,V o l.14,N o.3
1999年9月 JOU RNAL O F H YDROD YNAM I CS Sep.,1999
肋条减阻①
梁在潮 梁　利
(武汉水利电力大学,武汉430072)
摘　要　随着世界上能源消耗的不断上升,使人们不得不认真考虑如何有效的保护有限的能
源,探求节约能源的新技术和新方法。

湍流减阻就是在这种应用背景下提出的新课题。

经过二十多
年的努力,特别是湍流理论的发展,使得湍流减阻理论和应用得到了突破性的进展。

就减阻技术
讲,有肋条减阻、聚合物减阻、大涡破碎减阻、吹气和吸气减阻、微气泡减阻等,这些减阻技术一个
共同的考虑,就是要控制边界层内的湍流结构,特别是拟序结构,减少湍能的耗损,以达到减阻的
目的。

肋条减阻已在世界范围内广泛使用,但其减阻机理和使用条件,还有许多问题尚待解决,本
文较为系统地总结和分析了肋条减阻的研究成果,对肋条减阻的机理进行了分析,并对其工程应
用提出了建议。

湍流,肋条减阻,减阻技术
分类号　O357.5
1　肋条减阻概念的形成
肋条表面(表面上有纵向槽)可减小湍流表面摩阻的设想,是受下面一种或几种概念的启发而形成的。

(1)改变边壁条件,有可能减小表面摩阻;(2)方形管道的角流,有减小表面摩阻的性能;(3)三角形管道的内角,有引起部分流动层流化的性能;(4)快速游动的鲨鱼,可能有改变边界层特性的表皮结构。

早在七十年代初,L iu和L angley进行了如图1所示的矩形肋条改变低速条带结构的试
验,图2为其猝发频率变化值。

图中d+=d uΣΜ,s+=suΣΜ,h+=huΣΜ为无量纲值,d和s分别为低速条带宽和条带间距宽,h为肋条高;uΣ为表面摩阻速度;Μ为流体运动粘性系数;f和f s分别为矩形肋表面和光滑表面的猝发频率。

图中三个黑点是L iu的试验点。

这些点明显地表明猝发频率减少了20～25%;而当s+<100为,猝发频率迅速增大,这意味着s+<100为制约低速条带增长的重要区域;他们的试验还表明,当h+=47～70时,D D s=0.97,即阻力减少3～4◊,D和D s分别为矩形肋表面和光滑表面的阻力,也即阻力减少3～4%。

当h+=111时,阻力却增加15◊。

因此,边壁表面加肋能否减阻,与采用的肋高h+和间隔宽s+有重要关系。

1970年John son对鲨鱼的阻力特性进行过研究,他将死鲨鱼在水中拖曳,测量其阻力,得到的结果是,死鲨鱼在水中的阻力高于海豚的阻力8～10倍,他认为褐色鲨鱼的阻力大,是由
①本文于1997年7月16日收到。

图1 图
2
图3 图4　0.033mm 和0.076mm 肋条阻力特性
于鲨鱼有砂纸状的粗糙表面。

后来R eif 等人对鲨鱼鳞的结构进行了详细的研究,否定了John 2
son 的结论,他们发现,鲨鱼鳞有四种功能:避免磨损、
避免寄生虫、减少阻力和发光。

在减阻功能方面,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,但当鲨鱼缓慢地游动时,这种鳞脊结构则不出现,死鲨鱼因鳞的位置已固定,当然无快速游动时的鳞脊结构的出现。

R eif 推测,鲨鱼皮上的鳞脊可使边界层稳定,减小快速游动的阻力。

图3为类似鲨鱼鳞(圆谷陡峰)的流向肋的减阻特性分布,图中D s 为光滑表面的阻力;D 为鲨鱼鳞状的肋条表面阻力。

从图中看出,当s +<30时,阻力可减小7～8%,但应指出,试验的肋在流动方向是连续的。

而鲨鱼鳞是不连续的,两者仍有区别。

2　肋条减阻性能曲线分析
2.1　肋条薄膜
图4、5为0.033mm ,0.076mm ,0.1145mm ,0.1524mm 的肋条薄膜低速阻力分布特性曲线,图中D D s =1.0的虚线为零减阻线,线以上为阻力增加,线以下阻力减小。

从图中看出,当+403水　动　力　学　研　究　与　进　展 1999年第3期
图5　0.1143mm 和0.1524
mm 肋条阻力特性 图6
图7　h s >0.6 图8
　h s <0.6
图9 图10
5
03梁在潮等:肋条减阻
2.2　V 形槽肋条如图6所示的V 形槽肋条,其高h 和间距s 比h s 对阻力起重要影响。

图7和图8为h s >0.6和h s <0.6的V 形槽肋条的阻力分布特性。

从两图中的阻力分布可看出,D D s =1.0的零减阻线与阻力分布的相交点,随比值h s 的减小,s +增加,但最大阻力减小时的s +值,两种情况基本相同,s +≈12。

从应用角度讲,小高横比h s 的肋条更有利,它可在更宽的操作范围内得到阻力减小的效应。

图11　速度分布的对数区移动图 图12
2.3　U 形槽肋条
图9为h s =0.5的U 形槽肋条的阻力分布特性,从图中看出,最大的阻力减小值,近似与h s =1.0的V 形槽肋条的相同,大致为D D s =0.925,即减阻7.5%。

2.4　矩形肋条
L azox 和W ilk son 进行过不同高横比(h
s )的矩形肋条的阻力试验,图10为h s =0.4,0.8,1.0的矩形肋条的阻力分布。

从图中看出,零减阻线与阻力特性线的相交点随h s 的减小而s +增加,与V 形槽肋条的减阻特性基本相似,但相交点的s +小于V 形槽肋条的值。

3　肋条对湍流流动的影响和肋条减阻的物理过程
(1)　肋条对低速条带间距的影响
低速条带间距和长度的变化,在一定程度上反映表面阻力变化。

V 形肋条、矩形肋条和圆
形肋条的试验表明,低速条带间距Κλ+可在±40～50之间变化,此变化与肋条的尺寸大小和
形状有关。

V 形肋条产生±45◊的低速条带间距变化,其相应的阻力变化,近似为±10◊。

我们进行的大尺度矩形肋条试验,用氢气泡显示技术反映出低速条带基本上出现在肋顶部,条带数与肋条数相当。

(2)　肋条对速度的影响
肋条对速度分布的作用,主要表现在使速度分布的对数区移动,或者说使边界层的近壁区厚度发生变化,此作用与添加剂减阻使对数区位置发生变化相类似。

图11为速度分布的对数区移动图,图中实线为相应雷诺数R e 的光滑表面的速度分布,圆圈符号为肋条表面的速度分布;从图中看出,R e <1.7×106时,对数区上升,R e >1.7×106时,对数区下降。

图12为图11速度分布转换的表面摩阻系数C f 与R e 的关系图。

图中表明,对数区的移动与表面摩阻速度,
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03水　动　力　学　研　究　与　进　展 1999年第3期
或表面摩阻系数有关。

对数区向上移动,表示表面摩阻减小,对数区向下移,表示表面摩阻增加;此规律在沙粒粗糙表面上也已发现。

(3)　肋条对平均流速展向变化的影响
Hoo shm and 和Cou stds 等人在多种h +和s +的V 形槽肋条表面进行了试验,测量了平均
流速的展向分布。

图13为h +=10.9,s +=21.7的肋条表面流向平均流速的展向分布。

图中表明,肋条使纵向平均流速在展向出现速度梯度,最低速度发生在肋条顶部,影响范围为h +<13。

也有试验资料发现最低流速发生在肋槽中,影响范围限于y +<15。

综合认为,较密间距的V 形槽肋条表面,最低流速发生在肋槽中,而且肋槽中的湍动强度也减小,其原因是展向速度梯度的存在,产生的粘性效应降低了湍动强度。

而在较宽间距的肋条表面,最低流速出现在肋条顶端,展向速度梯度的粘性效应可忽略,表面摩阻增加。

肋条对湍流强度的影响,与肋条的形状和尺寸有关,当肋条制造成最优减阻尺寸时,肋条可减小流向湍流强度和雷诺应力,当肋条的h +和s +较大时,雷诺应力不减小,垂向脉动速度v ′和展向脉动速度w ′变化不大。

图13 图14
(4)　肋条对关联系数的影响
图14为Callogher 和T hom as 在y +=15处实测的展向空间关联(R )的分布图。

图中
△Z +=△Z u ΣΧ为展向无量纲坐标,图中曲线表明,肋条表面的关联长度或结构展向尺寸,比光滑表面的增加15～30%。

图15为F i m icum 和H an ratty 在h s =1.0对称V 形肋条表面上测得的展向边壁速度梯度的关联系数分布。

图中实线为抛物线,它与展向系数R 33=0的虚线相交点,确定展向长度尺度。

当Z +=25～30时,随着Z +减小,R 33增加,因而Z +=25～30可近似认为是阻力减小开始发生时的肋条间距。

(5)　肋条减阻的物理过程
肋条减阻与近壁区湍流结构的变化紧密相关。

近壁区湍流结构的特征,可概括为三个主要方面,一是湍流底层条带结构的形成和发展;二是纵向涡、横向涡和马蹄涡的形成和发展;三是猝发现象,这三者的相互影响,形成近壁区的复杂湍流结构。

显然低速条带愈不稳定,猝发频率愈高,湍能耗损愈大,摩阻损失愈大。

肋条减阻的设想,就是利用肋条控制条带结构的扩散,减少猝发现象的发生。

在微小尺寸V 形肋条或肋膜作用下,肋槽为反向涡支腿形成的低速条带
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03梁在潮等:肋条减阻
造成通道,抑制条带的扩散;另方面展向平均流速分布不均匀形成的速度梯度,通过粘滞性而形成横向粘滞力,此粘滞力产生于肋条顶部,可抑制反向涡的作用,减少高流速流体向边壁输运,从而使表面摩阻减小。

但肋条尺寸较大时,情况则相反,低速条带出现在肋条顶部,肋槽中产生反向纵向涡,反而使表面阻力增加。

因此,肋条湍流减阻与肋条的形状和尺寸有紧密的关系。

图15 图16
4　肋条与其它减阻技术联合减阻
(1)　肋条与聚合物联合
B evdy 等人研究了聚合物与肋条联合减阻特性,图16为试验结果。

1986年的资料表明,两种减阻技术的联合,增加了减阻,但1987年的资料却又发现减阻效果无太大变化。

两组试验所用的聚合物除了分子重量不同外,其它都相同。

后来B evdy 和A nderson 进行了不同浓度,不同聚合物与h +=0.0076c m 的肋膜减阻试验,得到的结果与图16中1997年的资料趋势一致。

这说明联合减阻的效果,与所用的聚合物种类,浓度和分子重量有很大的关系,同时也说明,肋条与聚合物联合减阻技术,尚须进一步深入研究。

(2)　肋条与微气泡联合
许多事实已证明,当水中运行物的表面形成微气泡层时,能大大减小表面的摩阻力。

但要使实际物体表面形成微气泡层却很难做到,如船舶运行,即使在其表面形成气泡层的技术可以实现,但需要的气泵及其所需的能量也是大得惊人,实际无法实现。

因此需要研究微气泡与其它减阻技术的联合。

B eed 和W ein stein 研究了肋条和微气泡的联合减阻,他们认为沿肋顶端的横向表面张力可在近壁区产生“稳定气泡层”,从而使阻力减小;形成气泡层所需要的空气量也大为减少;他们的试验表明,当表面摩阻减小50%时,所需的空气量仍然少于光滑表面所需要的量。

他们还研究了高接触角(聚四氟乙烯)的表面活化剂、深窄槽和切向空气射入,对边壁空气层稳定性的关系,他们发现,这些措施都会增加边壁空气层的稳定性和减少空气的用量。

(3)　肋条和吸气或吹气联合
God _el _H ak 和B lack w elder 进行过肋条和吸气或吹气联合减阻试验,他们建议用肋条固定低速条带,在肋顶部间歇地吸气,以减弱边壁涡的强度,甚至消除边壁涡。

他们的试验表
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明,用小量的吸气,对消除由于加肋而产生的猝发现象很有效。

W ilk in son 研究过薄矩形肋的顶部吸气、肋槽中吹气的减阻效应。

图17为W ilk in son 的吸气和吹气改变近壁涡的概念图。

图中表明,在基面或肋顶部吸气,或在肋槽中吹气,都能抑制边壁涡的诱导速度,从而使涡强减弱;在肋条顶部或基面上吹气,或在肋槽中吸气,能增强边壁涡的涡强。

边壁涡强的减小或增加,与表面摩阻的减小和增加有强烈的关系,因此,吸气和吹气对减阻有一定的作用。

图17 图18
(4)　新型肋条
Cobert 建议用图18所示的肋形增加减阻效果,该肋形类似于有一横片的薄矩形肋,他设想加横片增加附面层的厚度,减小近壁流速切变率,使纵向槽道中保持低表面摩阻力的层流。

图19为对上图肋形的减阻计算特性曲线。

图中将阻力比值D D s 作为相对窄缝宽(s b )和槽道雷诺数R e 的函数。

如图中所示,s 为槽道宽,b 窄缝宽;D 和D s 分别为肋面和光滑面的阻力;R e 为槽道中保持层流的最大雷诺数,其表达式为
R e =bu c 式中u c 为槽道中心速度。

图中s b =1.0,相当于薄矩形肋。

L azo s 和W ilk in son 对薄矩形肋表面减阻进行了研究,得到的阻力减小低于8%,此结果相当于R e =400的阻力减小。

因此,Rooert 所计算的其它较高的阻力减小,有重新研究的必要。

另一个肋条形状的新概念,是
Robert 等人引进的
“条带消除剖面”,图20为该剖面的简图。

由图中剖面看出,其形状与鲨鱼鳞相似。

他们的设想是:近壁区存在反向呈对涡,这些反向涡使边壁表面产生瞬时低压区和瞬时高压区,利用肋条剖面的空腔吸收高压区的流体,并由切向将流体喷刮肋条表面,以影响低压区,从而减小涡强。

5　应用肋条减阻的几点建议
肋条湍流减阻是一种很有发展前途的节能技术,也是湍流理论用于工程的最好实例,但由于湍流的复杂性,目前尚无强有力的理论能阐述肋条减阻肋机理,特别是还没有建立在坚实理论基础上的预测减阻效应的计算方法。

尽管如此,由于工程的需要,近二十多年来国内外都进行过大量的试验研究,得到了许多可作为实际应用参考的成果。

从应用的角度,提出了以下几点建议。

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03梁在潮等:肋条减阻
图19 图20
(1)　实际应用的优化肋条几何形状,建议用V 形肋条。

其减阻范围与肋条高横比h s 有关,常用的高横比为h s =1.0,若h s <1,其零减阻线与阻力分布线的交叉点可扩宽,即可用于减阻的范围增加,实际应用更方便。

最优的h +和s +的肋条,其最大的减阻值约为6±2◊,也就是说最大减阻值限于8◊以内。

(2)　肋条引起边界层湍流结构的变化,只限于近壁区y +=10～15;试验表明,能产生减阻效应的肋条(或肋膜),其尺寸应小于低速条带的尺寸。

由湍流拟序结构理论得知,低速条带的厚度h +=10～25;长度l +=1000～2000;分布间距Κλ+=100～125。

图4、5、7、8、9和10
所给出的零减阻(D D s =1)线与阻力分布的交叉点所包含的s +值,可作为设计减阻肋条尺
寸的参考值。

(3)　肋条与其它减阻技术的联合作用和新型的肋条,特别是类似鲨鱼鳞型的肋条,很有值得研究的价值,从其减阻机理来看,有可能突破至今最大减阻值为8%的限值。

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013水　动　力　学　研　究　与　进　展 1999年第3期
作者简介
梁在潮,男,生于1930年8月,教授,博导.
T he T u rbu len t D rag R educti on w ith R ib lets
L iang Z a i 2chao L iang L i
(W uhan U n iversity of H ydrau lic and E lectric Engineering ,W uhai 430072)
Abstract In th is paper the turbulent drag reducti on w ith riblets is investigated .It contains th ree parts :(1)T he concep t fo r m ulati on of the turbulent drag reducti on w ith riblets .(2)T he analysis of perfo r m ance curviline fo r the riblet drag reducti on .(3)T he influence of a riblet on turbulent flow and the physical p rocess of the turbulent drag reducti on w ith riblets .
Key words tu rbu lence ,rib let drag reducti on ,techno logy of drag reducti on .1
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