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, $S^{+}\approx 76$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.     

????????????????????????????????

 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。     

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.      

剪切变稀流体液滴撞击疏水表面回弹现象及最大铺展的研究

非牛顿流体液滴撞击固体表面的行为广泛存在于多种工农业生产中, 然而目前相关研究主要关注牛顿流体, 非牛顿流变特性对液滴撞击动力学的影响机制还有待探索. 本文研究了纯剪切变稀流体(质量分数≤ 0.03%的黄原胶水溶液)液滴撞击疏水表面后的最大铺展及回弹行为. 通过高速摄像技术捕获液滴撞击疏水表面的运动过程及形态变化, 研究了液滴的铺展回缩过程. 实验结果表明, 在相同We下, 剪切变稀特性对液滴撞击疏水表面后的铺展阶段影响很小, 但对回缩阶段影响很大. 黄原胶浓度增加使得液滴依次表现出部分回弹、完全回弹和表面沉积三种不同的回弹行为. 利用能量守恒定律推导出了液滴能在疏水表面上回弹的临界无量纲高度ξ_c理论值. 发现牛顿流体与非牛顿流体液滴最大无量纲高度ξ_max均符合标度律ξ_max ~ αWe斜率随黄原胶浓度增大而减小. 基于有效雷诺数Re_eff, 提出了一种有效黏度μ_eff表达式, 并据此建立了剪切变稀流体的最大无量纲直径β_max预测模型. 该模型在较广We区间与实验测量值取得了良好一致.      

水下条纹沟槽表面近壁区流场的数值分析

近年来对于水下条纹沟槽表面减阻的研究多集中在试验方面,理论分析和数值计算进行的却不多。而由于受实验条件的限制,条纹沟槽表面减阻的微观机理也一直没有搞清楚。本文正是通过理论方面的分析和计算来进一步揭示条纹沟槽表面的微观流场。首先基于“第二涡群”论对条纹沟槽表面流场的减阻特性进行了理论分析,阐述了其减阻机理;在此基础上采用B．L两层代数模型,建立了条纹沟槽表面水下流场的简化数学模型;并利用有限差分法对近壁区流场进行了数值计算．首次通过理论计算的方法获得了条纹沟槽表面水下微观流场的速度分布;为以后进一步从理论和实验上研究条纹沟槽减阻特性奠定了重要的基础。     

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.     

鲨鱼皮微沟槽结构减阻计算分析

通过Matlab和Pro/E建立了鲨鱼皮微沟槽结构的三维模型.选用雷诺应力湍流模型,借助于Fluent软件,分别计算了不同横截面形状的鲨鱼皮微沟槽的摩阻系数及不同方向的切应力.计算结果表明,在选定雷诺数范围内,鲨鱼皮微沟槽结构减阻效果明显优于v形沟槽结构.鲨鱼皮微沟槽减阻效果不但与其横截面形状有关,而且与其纵截面形状有关.因此,鲨鱼皮较高减阻率是由其微沟槽结构的横向和纵向减阻效应共同作用的结果.     

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点, 通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法, 提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构. 采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制, 分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理. 结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降, 同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力, 优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定, 而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.      

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.     

基于滑移理论的超疏水表面减阻性能分析

采用滑移理论计算和数值模拟方法研究超疏水表面的减阻性能.层流流动状态的数值模拟和理论计算结果的一致性较好,并可证明滑移速度与通道内流体速度之比与无量纲压降比的数量级相当;湍流状态的数值仿真结果表明,在目前可实现的滑移速度范围内,超疏水表面对水下航行器的流体阻力影响不显著.     

低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制

针对低雷诺数翼型气动性能差的特点,通过介质阻挡放电(dielectric barrier discharge, DBD)等离子体激励控制的方法,提高翼型低雷诺数下的气动特性,改善其流场结构.采用二维准直接数值模拟方法求解非定常不可压Navier-Stokes方程,对具有俯仰运动的NACA0012翼型的低雷诺数流动展开数值模拟.同时将介质阻挡放电激励对流动的作用以彻体力源项的形式加入Navier-Stokes方程,通过数值模拟探究稳态DBD等离子体激励对俯仰振荡NACA0012翼型气动特性和流场特性的影响.为了进行流动控制,分别在上下表面的前缘和后缘处安装DBD等离子体激励器,并提出四种激励器的开环控制策略,通过对比研究了这些控制策略在不同雷诺数、不同减缩频率以及激励位置下的控制效果.通过流场结构和动态压强分析了等离子体进行流场控制的机理.结果表明,前缘DBD控制中控制策略B(负攻角时开启上表面激励器,正攻角时开启下表面激励器)效果最好,后缘DBD控制中控制策略C(逆时针旋转时开启上表面激励器,顺时针旋转时开启下表面激励器)效果最好,前缘DBD控制效果会随着减缩频率的增大而下降,同时会导致阻力增大.而后缘DBD控制可以减小压差阻力,优于前缘DBD控制,对于计算的所有减缩频率(5.01~11.82)都有较好的增升减阻效果.在不同雷诺数下, DBD控制的增升效果较为稳定,而减阻效果随着雷诺数的降低而变差,这是由流体黏性效应增强导致的.     

圆管内粗糙壁面处微细颗粒沉积规律研究

针对固体颗粒在圆管中的沉积问题,本文采用DEM(Discrete-Element Method)描述颗粒与壁面的碰撞特征,采用湍流雷诺应力模型结合拉格朗日随机轨道模型对0.01μm~50μm的微细颗粒在壁面的沉积特性进行了研究。考查了颗粒粒径、重力、壁面位置、雷诺数Re、有效表面能、弹性模量对沉积速率的影响。结果表明:下壁面的沉积速率最大,上壁面的最小;颗粒在下壁面的沉积速率随量纲为一的弛豫时间呈V型曲线变化;当空气平均流速为0.5m/s时,颗粒小于1μm时即可忽略重力的影响,并且随着空气流速的增大,需要考虑颗粒重力的临界直径会逐渐增大;颗粒的粘附/反弹特征对沉积有很大影响,有效表面能越大,沉积速率越大;有效弹性模量越大,沉积速率越小;当颗粒小于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而增大;当颗粒大于等于10μm时,沉积速率随雷诺数Re的增大而减小。