超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一,对缓解日益严峻的能源危机极为重要.在重力式管道实验系统中,测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态,对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力,沟槽结构采用机械方法加工,并在表面喷涂超疏水涂层.结果表明,持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题,实现气膜层长时间稳定维持;恒定雷诺数下,随通气速率增大,超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀,减阻率上升;由于通气速率影响气膜横向扩展能力,致使恒定通气速率下,减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式;在固定雷诺数及通气速率时,减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, S~+≈76时减阻率最大.分析其原因在于,沟槽结构增大沾湿面积的同时,显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性,因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律,且效果更佳.     

材料表面润湿性调控及减阻性能研究

设计合成不同结构的自组装分子,使其可以在不改变表面粗糙度的情况下改变表面的润湿性能;利用低表面能涂层修饰粗糙表面得到超疏水表面.采用流变仪和水洞试验分别在层流和湍流流动状态下测试了具有不同润湿行为的亲、疏水材料的减阻性能.结果表明:在层流流动状态,随着不同表面的接触角从13°增加到45°、113°和161°,减阻率随之从1.8%增大到7.2%、7.9%和14.9%;在湍流流动状态下,自组装涂层接触角为13°、45°和113°的三组模型的平均减阻率为0.8%、1.9%和6.8%,最大减阻率分别可达3.6%、9.2%和18.0%.两种流体流动中均存在材料表面水接触角增加减阻效率增大的行为.     

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 在条纹沟槽表面减阻的研究发展及其优点的基础上 对条纹沟槽表面减阻进行水洞实验,研究在航行器外表面加工条纹沟槽所具有的阻 力特性. 通过对光体、0.1mmV型条纹沟槽表面和0.2mmV型条纹沟槽表面3 种不同模型在零攻角、不同水流速度下进行阻力测量, 测得条纹沟槽表面减阻特 性曲线. 从特性曲线中可以看出减阻效果约为8.3%. 实验的结果表明, 条纹沟槽 表面能明显降低水下航行器的阻力.     

CHARACTERISTIC OF DROPLET OSCILLATION ON THE SURFACE OF RECTANGULAR HYDROPHOBIC GROOVES

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

矩形疏水沟槽表面水滴振荡特性

液滴振荡行为是液滴运动中的重要伴随现象,具有重要科研价值.由于液滴撞击疏水沟槽板时运动行为与光滑表面明显不同,可以推测疏水沟槽表面液滴振荡特性也将会呈现与众不同的行为特点.采用高速摄像技术,研究了矩形疏水沟槽表面上水滴高度和接触线振荡行为随沟槽尺寸和撞击速度的变化规律.结果发现,矩形疏水沟槽造成的各向润湿异性使得振荡过程中水滴在平行沟槽方向上的接触线长度大于垂直方向,但并不影响水滴高度方向上衰减振荡的周期,即水滴振荡周期与沟槽间距无关;同时由于疏水沟槽表面上存在能垒束缚效应,致使水滴振荡过程中接触线的铺展和回缩运动不服从典型阻尼振荡规律,而呈现振荡数次后直接趋稳的特点.如水滴以0.61 m/s撞击时,接触线经历2次振荡后即维持稳定,但此时水滴仍在持续振荡中.另外,还初步分析了水滴振荡周期与沟槽间距无关的原因.     

超疏水表面滑移理论及其减阻应用研究进展

减阻技术对提高原油采收率、降低液体流动阻力具有十分重要的意义.通过论述超疏水表面结构的基本理论、超疏水表面形成的主要影响因素和近年来仿生超疏水表面的制备方法,综合分析了超疏水表面滑移理论和基于这一理论的减阻技术的研究进展,并简单介绍了其在石油储层微孔道纳米降压减阻方面的应用,展望了超疏水表面滑移理论及其减阻技术的研究重点及应用前景.      

定优胶溶液狭缝喷射减阻实验研究

定优胶具有比柔性聚合物更优越的抗剪切效果, 是一种新型高分子聚合物减阻添加剂, 目前对其研究仍相对缺乏. 这里通过开展定优胶流变和管内狭缝喷射减阻实验, 分析了流变特性与减阻行为之间的联系, 并从其喷射扩散角度解释了其减阻规律变化的原因. 实验结果表明, 定优胶溶液为剪切变稀流体, 会发生黏性到弹性转变, 且转变点与温度无关, 仅随浓度增加而前移; 定优胶减阻率随水流速度(雷诺数)呈先增后降趋势, 但随喷射速率单调递增; 相较于喷射纯水, 定优胶溶液在流场中扩散缓慢, 且喷射速率越高, 壁面附近集聚越明显. 同时, 定优胶溶液喷射减阻的变化与其扩散规律相吻合: 当流速较小时, 定优胶溶液扩散不充分, 呈非均匀聚集态, 未能充分发挥其湍流抑制效果, 减阻较弱; 随流速增加, 水流的剪切拖拽作用增强了定优胶的扩散均匀程度, 进而提升湍流抑制效果, 减阻率上升; 但当流速过大时, 定优胶的快速扩散造成其浓度被大幅稀释, 且近壁区过大剪切率可能已造成部分长链分子断裂, 致使减阻效果下降.      

湍流流动中鲨鱼皮表面流体减阻研究进展

快速游动的鲨鱼, 其皮肤表面沿流动方向有序地排列着沟槽状结构, 人们认为这种结构能在湍流流动 中减小表面摩擦阻力. 人们仿真这种生物结构来进行实验研究和应用, 通过复制和改善鲨鱼皮肤表面沟槽状 结构, 使得摩擦阻力最大减小了近10%. 在实验和模拟仿真中, 人们不断讨论和研究湍流流动阻力的形成机制 和沟槽减阻的理论特性. 本文综述了沟槽减阻理论特性的一些研究方法, 并且归纳定义了沟槽减阻最优几何 形状及其尺寸; 详细考虑流体流动的特点, 给出了一种用来选择最优沟槽形状及其尺寸的方法; 综述了目前的 沟槽加工制造技术. 由于鲨鱼皮肤表面存在少量黏液, 从仿生学的角度, 文章最后综述并展望了通过局部应用 疏水性材料来改变沟槽附近流场属性, 从而达到更大程度上减小阻力的目标.      

低雷诺数沟槽表面湍流/非湍流界面特性的实验研究

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.      

回转体表面条纹沟槽减阻水洞实验研究

本文在条纹沟槽表面减阻理论分析的基础上,对条纹沟槽表面回转体进行了大量的水洞实验研究。实验模型表面条纹沟槽采用直接加工方法,头部线型为双参数平方根圆头曲线,尾部线型为双参数尖尾曲线。实验结果分析表明,与相同形状、尺寸的光滑表面回转体相比,条纹沟槽表面回转体在一定速度范围内存在很好的减阻效果,最大减阻量超过6%,且在小攻角范围内减阻量基本稳定,对回转体升力特性也没有影响。对比不同尺寸条纹沟槽的减阻效果发现,降阻量不但随条纹沟槽宽度S变化,而且随来流速度U∞变化,即与无因次沟槽宽度S (文中近似取S =S.LRe2Ckx,其中k为总阻力Cx的修正因子)存在着一定的关系。对于V型条纹沟槽具有减阻效果的S 的范围在10到60之间。本文研究证明,条纹沟槽表面减阻技术在水下航行器设计领域有着很好的应用前景,同时文中所取得的研究成果对该技术的应用具有一定的促进作用。     

Experimental investigation of inclined liquid water jet flow onto vertically located superhydrophobic surfaces

In this study, the behaviour of an inclined water jet, which is impinged onto hydrophobic and superhydrophobic surfaces, has been investigated experimentally. Water jet was impinged with different inclination angles (15°–45°) onto five different hydrophobic surfaces made of rough polymer, which were held vertically. The water contact angles on these surfaces were measured as 102°, 112°, 123°, 145° and 167° showing that the last surface was superhydrophobic. Two different nozzles with 1.75 and 4 mm in diameters were used to create the water jet. Water jet velocity was within the range of 0.5–5 m/s, thus the Weber number varied from 5 to 650 and Reynolds number from 500 to 8,000 during the experiments. Hydrophobic surfaces reflected the liquid jet depending on the surface contact angle, jet inclination angle and the Weber number. The variation of the reflection angle with the Weber number showed a maximum value for a constant jet angle. The maximum value of the reflection angle was nearly equal to half of the jet angle. It was determined that the viscous drag decreases as the contact angle of the hydrophobic surface increases. The drag force on the wall is reduced dramatically with superhydrophobic surfaces. The amount of reduction of the average shear stress on the wall was about 40%, when the contact angle of the surface was increased from 145° to 167°. The area of the spreading water layer decreased as the contact angle of the surface increased and as the jet inclination angle, Weber number and Reynolds number decreased.     

深槽表面气体静压润滑低Reynolds数层流节流效应实验研究

气体介质在润滑间隙流动过程中,沿气体流动方向开设的表面矩形深槽结构内部产生旋涡阻碍气体流动,形成节流效应.通过矩形深沟槽表面静压润滑实验,开展深槽表面和光滑表面的流量特性对比测试,研究了低Reynolds数层流状态下深槽表面间隙的气体节流效应.结果表明:深槽表面产生显著的节流效应,并且随Reynolds数增加而增强;在低Reynolds数层流状态下,深槽表面可以产生节流效应,但是节流效应强度不稳定,当处于完全湍流状态时,节流效应维持定值;间隙尺寸、槽深等结构参数对节流效应影响明显.     

EXPERIMENTAL STUDY ON PROPERTIES OF TURBULENT/NON-TURBULENT INTERFACE OVER RIBLETS SURFACES AT LOW REYNOLDS NUMBERS1)

湍流/非湍流界面是流动中湍流和无旋流的边界,其相关研究在加深对湍流与无旋流之间的物质、动量和能量交换的理解有重要意义.本文采用时间解析的二维粒子图像测速技术,分别对零压梯度光滑、顺流向锯齿形沟槽表面平板在不同雷诺数下对湍流/非湍流界面的几何特征及动力学特性进行了实验研究.实验雷诺数为$Re_{\tau } =400\sim1000$.本文采用了湍动能准则对湍流/非湍流界面进行了识别,并分析界面高度分布、分形特征及界面附近的条件平均速度和涡量.结果表明在不同雷诺数下, 无论是光滑壁面还是沟槽壁面,界面平均高度在0.8 $\sim$ 0.9$\delta_{99} $附近. 对于沟槽壁面而言,减阻时对应的界面高度的概率密度分布与光滑壁面基本一致, 均遵循正态分布,而当阻力增大时, 界面高度分布偏离正态分布出现正的偏度. 在本实验情况下,界面分形维度、跨界面速度跳变均会随着雷诺数增大而增大. 此外,不同壁面情况下无量纲条件平均涡量在界面附近的分布相近,而界面附近无量纲速度梯度最大值近似为常数.     

The influence of flow-induced non-Newtonian fluid properties on turbulent drag reduction

Friction factors and velocity profiles in turbulent drag reduction can be compared to Newtonian fluid turbulence when the shear viscosity at the wall shear rate is used for the Reynolds number and the local shear viscosity is used for the non-dimensional wall distance. On this basis, an apparent maximum drag reduction asymptote is found which is independent of Reynolds number and type of drag reducing additive. However, no shear viscosity is able to account for the difference between the measured Reynolds stress and the Reynolds stress calculated from the mean velocity profile (the Reynolds stress deficit). If the appropriate local viscosity to use with the velocity fluctuation correlations includes an elongational component, the problem can be resolved. Taking the maximum drag reduction asymptote as a non-Newtonian flow, with this effective viscosity, leads to agreement with the concept of an asymptote only when the solvent viscosity is used in the non-dimensional wall distance.     

水下减阻技术研究综述

在简要回顾早期减阻研究的基础上,对现有典型水下湍流减阻技术进行了较深入地分析.重点介绍了脊状表面减阻、微气泡减阻和疏水/超疏水表面减阻的研究现状.分别从实验研究和理论研究两方面对其进行了阐述,并着重强调了各自的减阻机理. 此外,还简要介绍了柔顺壁面减阻、壁面振动减阻等其它减阻技术.展望了水下减阻技术今后的研究重点及其应用前景.      

中低速下干气密封型槽仿生改进研究

为解决干式气体端面密封在中低速或启动停车阶段密封性能不稳定的问题,在现有螺旋槽端面型槽结构的基础上借鉴仿生学设计方法提出了仿生多流通道螺旋槽干气密封端面结构.基于气体润滑理论模型,采用数值分析方法计算了气体端面气膜压力控制方程-雷诺方程,研究对比了普通螺旋槽和多流通道槽的端面压力分布.在改变操作参数和端面气膜厚度的条件下分析对比了普通螺旋槽和多流通道槽两种干气密封的开启力,泄漏率,刚度和刚漏比的变化规律,并研究了槽的通道数对密封性能的影响规律.结果表明:中低速下多流通道细长螺旋槽具有高的稳定性和好的密封性,汇流槽在增加密封稳定性的同时可降低泄漏率.     

微纳结构超疏水表面的湍流减阻机理研究

超疏水表面的优异性质使其在现代生活和工业生产中具有十分广泛的潜在应用价值. 本文采用了碳纳米管缠绕技术和聚氟硅氧烷疏水化处理方法制备了具有二级微纳米结构的超疏水表面. 测量了由该超疏水表面构建的槽道中的流动压降,将其与普通表面构建的槽道内的流动压降进行比较,发现在层流情况下,流动阻力减小最多达到了22.8%. 在湍流的情况下,超疏水表面的减阻比例约为53.3%,减阻效果比层流更加明显.利用PIV (particle image velocimetry) 技术测量了具有超疏水表面的槽道内的速度场,通过超疏水表面速度滑移和湍动脉动场信息,分析了湍流减阻效果比层流更加明显的物理机制.     

Parametric Study on a Sinusoidal Riblet for Drag Reduction by Direct Numerical Simulation

The direct numerical simulation of fully developed turbulent channel flow with a sinusoidal riblet surface has been carried out at the friction Reynolds number of 110. Lateral spacing of adjacent walls in a sinusoidal riblet is varied sinusoidally in the streamwise direction. The average lateral spacing of a sinusoidal riblet is larger than the diameter of a quasi-streamwise vortex and its wetted area is smaller than that of ordinary straight-type riblets. We investigate the effect of sinusoidal riblet design parameters on the drag reduction rate and flow statistics in this paper. The parametric study shows that the maximum total drag reduction rate is approximately 9.8% at a friction Reynolds number of 110. The riblet induces downward and upward flows in the expanded and contracted regions, respectively, which contribute to periodic Reynolds shear stress. However, the random Reynolds shear stress decreases drastically as compared with the flat surface case, resulting in the reduction of total drag owing to the sinusoidal riblet. We also performed vortex tracking to discuss the motion of the vortical structure traveling over the sinusoidal riblet surface. Vortex tracking and probability analysis for the core of the vortical structure show that the vortical structure is attenuated owing to the sinusoidal riblet and follows the characteristic flow. These results show that the high skin-friction region on the channel wall is localized at the expanded region of the riblet walls. In consequence, the wetted area of the riblet decreases, resulting in the drag-reduction effect.     

带内环槽的螺旋槽干式气体端面密封的静压性能

针对现场使用的带内环槽的螺旋槽干式气体端面密封,建立了用于预测其端面气膜压力的等温可压缩流二维雷诺方程,在只考虑静压效应的条件下应用有限元法计算了端面开启力、泄漏率、气膜刚度和刚漏比等密封性能参数,并与典型螺旋槽干式气体端面密封（S-DGS）进行了比较.结果表明：与S-DGS相比,前者具有更好的稳定性、润滑性能和开启特性.以获得最大刚漏比为优化原则,综合考虑密封的稳定性、密封性和开启特性,获得了带内环槽S-DGS在静压作用下的端面规则微槽几何参数的优选值,研究结果对有关密封的设计与选用具有指导意义.