湍流减阻技术综述

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]。德国研究人员通过油洞阻力测量实验表明，具有最佳减阻特性的是刀刃形肋条，可达到10%的减阻效果。肋条在流场中有顺流向和横流向以及与流向成一定夹角等多种放置方式，研究发现肋条顺流向放置其减阻效果最好，而在肋条与流向的夹角大于30°时，肋条不再具有减阻效果。此外，流场的压力梯度对肋条减阻效果也有一定影响，相比于零压梯度，逆压梯度下肋条表面的减阻效果会有少量提高[2]。

运用肋条减阻技术可以通过仅改变表面壁面形状就能达到很好的减阻效果，且不需要消耗额外的能量，因此该技术已经进入实际应用阶段。国际泳衣品牌Speedo公司生产了具有肋条表面的减阻泳衣，在水下可以达到3%～5%的减阻效果，证实了肋条减阻技术的安全性和可靠性。NASA研究中心通过在飞机70%的表面贴上肋条薄膜，达到了3%的减阻效果，相当于节省了3%的飞机燃油。近年来轮船、多级泵的叶片的外壁，输油输气管的内壁都通过粘贴肋条薄膜而获得了一定的减阻效果。

目前，肋条减阻技术建立在理论上的研究较少，在实验测量阻力时会有较大偏差，同时研究模拟的肋条技术只适用于小区域、小尺度和简单边界层的情况，而投入实际应用时环境更为复杂，与研究过程得到的物理现象并不相符。此外，肋条在生产过程中由于尺寸小，精度要求较高，生产周期很长，导致肋条减阻技术的研究成果无法最大化地得到利用。在未来的研究中应致力于完善肋条的形状、高度、间距的工程设计准则，同时加强理论与数值计算的研究，更精确地计算出适用于肋条减阻技术的流场环境，使之能满足不同的工程要求。

2 聚合物添加剂减阻

1948年Tomas首次发现在流体中添加微量减阻剂可使湍流边界层阻力大大降低，1949年第一个减阻剂专利问世。自20世纪60年代至今对减阻剂的研究已经取得了长足的进展。该项减阻技术主要适用于较长距离的液体输送系统或液体循环系统，达到减少能耗、增大运输量的效果。目前已研发出的减阻剂可分为两类：高分子聚合物和某些表面活性剂，其中高分子化合物又分为油溶性和水溶性两种。研究人员通过水洞实验发现，在25℃的流体中添加0.22mmol/L的氯化十六烷基三甲基铵（C16H33N（CH3）3Cl），流动的阻力可减小66%[3]。

聚合物添加剂的共同特点有：（1）分子量一般大于50000才能具有一定减阻效果；（2）分子结构呈直链型，且主链越长、支链越少，减阻效果越好；（3）根据分子量的分布不同，可分为共聚物和均聚物两种；（4）与溶剂有很好的兼容性，不改变溶剂的基本化学性质，不影响溶剂后续处理工艺；（5）易降解，抗剪切性能差，受温度影响大。

影响减阻剂减阻效果的因素主要有四点：（1）减阻剂的浓度越大、弹性底层越厚，减阻效果越好；（2）当减阻剂浓度一定时，存在一个临界雷诺数，在该雷诺数下减阻效果最佳且随流速的继续增大而降低；（3）流通管道的直径、壁面粗糙程度、弯曲程度、温度等因素都会对减阻效果产生影响；（4）减阻剂内杂质的含量和种类也会影响减阻效果。

减阻剂在管道输运领域有重要的应用。在运输的石油中添加少量減阻剂可以在在相同动力下增大运输速度，从而增加运输量，节省运输成本。中国的石油管道老化严重，添加减阻剂后可以使石油对管道压力减小，从而提高运输过程的安全性。美国部分地区为解决大暴雨时排水能力不足的问题，在排水管道上添加减阻剂，增加雨水流速，缓解道路积水。日本在供热系统热水输送领域开展了大量研究工作，证实在热力系统中添加减阻剂能有效减少泵耗。

聚合物减阻剂虽然有很好的减阻效果，但是大多数种类的添加剂生产安全性较低，不便于运输和存储，同时各种添加剂之间的性能差距较大，不同流体选取不同添加剂时由于众多不确定因素导致减阻效果偏离预期值。此外，最终流体经过处理后可能仍含有未除净的添加剂，会影响到流体的使用或危害人体健康。半个世纪以来这一领域虽然有了许多重大的研究成果，但仍然有理论上的缺陷，例如目前还没有针对添加剂湍流减阻流动（及换热）在高雷诺数下可靠的定量分析方法。因此，实际应用中的干扰因素和理论的不完整共同导致聚合物添加剂在工程应用中的局限性。

3 壁面振动减阻

20世纪90年代研究人员通过数值模拟发现，壁面沿流向的展向方向进行周期振动可以有效减少湍流边界层壁面摩擦阻力。该方法是一种主动控制的减阻方法，减阻效果比较明显，近些年来获得了研究人员的重视。

壁面进行展向运动的一般形式为，式中A为振幅，为角速度，t为时间。研究表明，减阻效果依赖于振幅和角速度的组合参数，即无量纲振动速度，式中，，当时，壁面减阻效果最高可达45%[4]。

对于减阻机理的研究发现，振动的壁面在边界层产生的Stokes层抑制了壁面附近流向涡的产生，進而减弱了湍流边界层低速条带的产生和猝发，导致壁面附近低速流体与主流中动量交换减小，达到减阻效果。

壁面展向振动在工程上目前还没有得到广泛的应用，原因有两点。（1）对壁面振动减阻的机理研究不充分，各种壁面展向振动的优化控制方法仍需进一步研究；（2）该方法需要壁面处于运动状态，对装置结构要求较高，限制了它的实际应用。

4 其他减阻技术

一些学者还对其他减阻技术进行了研究，主要包括微气泡减阻技术、柔顺壁减阻技术、纳米减阻技术等。微气泡减阻技术是指利用空气与壁面摩擦阻力小来达到减阻目的。柔顺壁减阻技术是指在固体避免上覆盖一层具有半渗透性的弹性薄膜使得边界层剪切力减小，壁面阻力减小。纳米技术减阻是指利用纳米材料的输水（油）特性减小壁面与流体之间的粘附作用，从而达到减阻效果。

此外，由于各种技术的减阻效果有限，研究人员开始对多种减阻方法联合使用进行研究。主要包括肋条与微气泡联合减阻和肋条与聚合物添加剂联合减阻等。实验表明肋条与聚合物添加剂联合减阻能够使流动阻力减小74%。肋条与微气泡联合减阻可以使气泡层所需的空气量大大减少并同时增强减阻效果。

5 结语

当前节约能源受到人们广泛关注，使得湍流减阻技术得到越来越多的研究和应用，具有广阔的发展空间。本文主要从来源、减阻效果、影响减阻效果因素、工程应用等几方面介绍了肋条减阻、聚合物添加剂减阻和壁面振动减阻三种湍流减阻技术，同时分析了三种减阻技术的局限性。此外，针对其他减阻技术及联合减阻技术进行简单论述。由于目前针对湍流的研究仍然不能满足工程应用的需要，因此随着湍流理论的发展，未来针对各种湍流减阻技术的减阻机理及其应用仍需要进行进一步深入的研究。

参考文献

[1]刘德俊，于洋，王国付，等.三种形状肋条减阻特性与机理研究[J].工程热物理学报，2016，（7）：1411-1415.

[2]许超，汪静，刘娅琛，等.仿生沟槽减阻技术的研究和应用进展[J].大连海洋大学学报，2009，（S1）：235-237.

[3]Huang C， Liu D， Wei J. Experimental study on drag reduction performance of surfactant flow in longitudinal grooved channels[J].Chemical Engineering Science， 2016，（152）：267-279.

[4]黄乐萍.壁湍流的展向运动减阻机理研究[D].南京理工大学，2012.

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