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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